Способ подземной газификации свиты угольных пластов

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к подземной бесшахтной разработке пластов угля, и может быть использовано преимущественно при газификации свиты полого или наклонно залегающих угольных пластов с попутной дегазацией их. Способ подземной газификации свиты угольных пластов включает проведение предварительной дегазации их через горизонтальные или наклонные скважины, пробуренные по вышележащему 3 и нижележащему пластам 1, с дальнейшим розжигом и газификацией нижележащего пласта 1. В процессе газификации нижележащего угольного пласта 1 проводят дегазацию расположенной над ним зоны разгрузки от горного давления В вышележащего угольного пласта 3. Период дегазации зоны разгрузки вышележащего пласта 3 регулируют скоростью подвигания линии огневого забоя по нижележащему угольному пласту 1, при этом исходную длину зоны разгрузки определяют из математической зависимости с использованием закономерностей, установленных при обычной технологии разработки сближенных пластов длинными столбами. Добытый в процессе попутной дегазации метан направляют потребителю и (или) в зону горения угля. Изобретение позволяет повысить эффективность дегазации вышележащего пласта за счет управления процессом разгрузки от горного давления, скорости подвигания огневого забоя и величины периода дегазации. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к подземной бесшахтной разработке пластов угля, и может быть использовано преимущественно при газификации свиты полого и наклонно залегающих угольных пластов с попутной дегазацией их.

Известен способ подземной газификации угля, заключающийся в том, что из свиты сближенных угольных пластов сначала ведут подготовительные и очистные работы по нижележащему подрабатывающему пласту системой разработки длинными столбами обратным ходом от границ шахтного поля по бесцеликовой схеме с поддержанием подготовительных выработок в выработанном пространстве и полным обрушением кровли, а затем розжигу угля и отработке подвергают подрабатываемый пласт, причем отработку его ведут в направлении, соответствующем направлению выемки нижележащего пласта (патент РФ №2186209, кл. Е21В 43/295, приоритет от 25.05.2000 г., заявка опубликована 10.03.2002 г.).

Преимуществом известного способа, по мнению его заявителя, является то, что он позволяет подработать горными работами вышележащий пласт, нарушить его целостность трещинами и разломами, что обеспечивает создание реакционных каналов по всей подработанной площади и полное выгорание пласта.

Основными недостатками известного способа являются:

необходимость ведения подземных горных работ, связанных с подготовкой и отработкой по обычной технологии нижнего в свите пласта, что значительно увеличивает опасность для обслуживающего персонала и стоимость добытого продукта;

невозможность регулирования качества получаемой в результате газификации угля газовой смеси;

необходимость поддержания в выработанном пространстве подготовительных выработок;

сложность контроля положения огневого фронта.

Известен способ подземной газификации и дегазации свиты угольных пластов, заключающийся в том, что с поверхности бурят газоотводящую и воздухоподающую скважины, причем газоотводящую горизонтальную скважину бурят по верхнему пласту, а воздухоподающую горизонтальную скважину бурят по верхнему или нижнему угольному пласту и из нее до уровня нижнего или верхнего в свите пласта бурят нисходящие и восходящие ответвления (патент РФ №2209305, кл. Е21В 43/275, приоритет от 13.04.2000 г., заявка опубликована 27.11.2000 г.). В начальный период разработки до того, пока дебит газа не станет ниже рентабельного, обе скважины являются дегазационными. После окончания процесса дегазации производят газификацию, для чего в воздухоподающую скважину закачивают воздух и производят поджог угольных пластов. Направленные вниз и вверх ответвления воздухоподающей скважины являются искусственными каналами дегазации и газификации. Газовую смесь отводят по газоотводящей скважине на поверхность для дальнейшей утилизации.

Использование известного способа позволяет полностью исключить присутствие людей, работающих под землей, и обеспечивает возможность разработки свиты угольных пластов с разграничением процессов дегазации и газификации. По известному способу дегазацию угольных пластов прекращают с того момента, когда она становится нерентабельной, при этом в неразгруженном массиве остается до 80% метана. Оставшийся метан затем частично сжигается при газификации и частично выходит в атмосферу и (или) остается в массиве. Невысокая эффективность дегазации является основным недостатком известного способа.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности попутной дегазации вышележащего пласта за счет управления процессом разгрузки от горного давления при подземной газификации свиты угольных пластов и длительностью периода дегазации.

Предложен способ подземной газификации свиты угольных пластов, включающий проведение предварительной дегазации их через горизонтальные или наклонные скважины, пробуренные по вышележащему и нижележащему пластам, с последующим переоборудованием скважин по нижележащему пласту в дутьевые, бурением по нему газоотводящих скважин, розжигом угля с подачей дутья навстречу огневому забою и отводом газовой смеси в направлении его подвигания.

Основным отличием предложенного способа является то, что в процессе газификации нижележащего угольного пласта проводят дегазацию расположенной над ним зоны разгрузки от горного давления вышележащего угольного пласта.

Следующим отличием является то, что длину зоны разгрузки вышележащего угольного пласта определяют из зависимости:

где H - глубина залегания нижележащего угольного пласта, м;

h - глубина залегания вышележащего угольного пласта, м;

Ψ₃ - угол полных сдвижений подработанного массива, град.;

ϕ₃ - угол зоны восстановления горного давления, град.;

α - угол залегания вышележащего угольного пласта, град.

Отличием является также то, что период дегазации зоны разгрузки вышележащего пласта регулируют скоростью подвигания линии огневого забоя по нижележащему угольному пласту.

Добытый в процессе попутной дегазации вышележащего пласта метан направляют потребителям и (или) в зону горения угля нижележащего пласта.

Изучение опыта отработки газоносных пластов угля обычными способами и с применением подземной газификации показало, что геомеханические процессы при подземной газификации близки к геомеханическим процессам, происходящим при очистной выемке угольных пластов длинными столбами. Образующиеся при подземной газификации и при традиционной технологии добычи угля выгазованное либо выработанное пространства также являются аналогичными один другому, следовательно, весь накопленный ранее опыт дегазации вмещающего массива при очистной выемке и известные закономерности метановыделения могут быть частично или полностью использованы для практической организации и теоретического обоснования попутной добычи метана при подземной газификации газоносных угольных пластов. Известно, что не разгруженный от горного давления пласт очень плохо отдает метан - зона влияния дегазационной скважины не превышает 5-7 м и эффективность дегазации неразгруженного пласта очень низка (8-15%). В разгруженных зонах влияние дегазационной скважины возрастает до 30-40 м, а эффективность дегазации увеличивается до 72-88%.

Многолетними натурными исследованиями установлено, что над движущимся очистным (огневым) забоем в кровле пласта формируются:

зона опорного давления, являющаяся барьером для дренирования газа в сторону выработанного пространства;

зона разгрузки, расположенная над выработанным пространством, где происходит растрескивание, расслоение и обрушение подработанного массива и наблюдается интенсивная дегазация его;

зона восстановления горного давления, имеющая опору на почву выработанного пространства, где горное давление восстанавливается, снижается проницаемость массива и затухают процессы, способствующие его дегазации.

Таким образом, подрабатываемый угольный пласт и породный массив способны отдать практически весь метан только в интервале зоны разгрузки, который можно условно назвать интервалом дегазации.

При подвигании линии огневого забоя по подрабатываемому массиву последовательно перемещаются три зоны, указанные выше. Чем дольше участок пласта или породного массива будет находиться в зоне разгрузки, т.е. чем больше период его дегазации, тем больше он может отдать метана. Величина периода дегазации определяется величиной интервала дегазации и скоростью подвигания линии огневого забоя. Разработанный способ базируется на описанных выше закономерностях метановыделения из подрабатываемого массива и включает возможность управления процессом попутной дегазации изменением скорости подвигания огневого забоя.

Изобретение поясняется примером осуществления способа и чертежами, где на фиг.1 показана схема геомеханических и газокинетических процессов в подрабатываемом огневым забоем массиве, на фиг.2 - пример осуществления способа, на фиг.3 - влияние длины зоны разгрузки, скорости подвигания огневого забоя и периода дегазации на относительное метановыделение из подрабатываемого пласта.

Для осуществления предложенного способа подземной газификации свиты угольных пластов с попутной дегазацией их с поверхности бурят скважины, горизонтальные или наклонные части которых проводят по пластам. По нижележащему пласту 1 проводят горизонтальные или наклонные скважины 2, а по вышележащему подрабатываемому пласту 3 проводят горизонтальные или наклонные скважины 4. На поверхности все скважины 2 и 4 подключают к газоотсасывающим установкам 5 и производят предварительную дегазацию пластов угля, пока дебит газа не станет ниже рентабельного. Подготовку нижележащего пласта 1 к подземной газификации осуществляют по известной методике, т.е. скважины 2 располагают через 20-50 м, в зависимости от свойств угля, с расположением дутьевых скважин между газоотводящими. Дутьевые скважины обсаживают на всю длину перфорированными трубами, а газоотводящие обсаживают на 70-100 м от поверхности, т.к. при прохождении по ним высокотемпературного газа стенки закоксовываются и приобретают несущую способность. По вышележащему подрабатываемому пласту бурят только дегазационные скважины. Розжиг производят также по известной методике, т.е. в забой дутьевых скважин бурят вертикальные розжиговые и водоотливные скважины, производят сбойку дутьевых скважин и розжиг огневого забоя, т.е. подают дутье и начинают процесс газификации пласта. Так как дутье в газогенератор подают под избыточным давлением (воздушное - 0,3 МПа; парокислородное - 3 МПа), а в дегазационных скважинах 4 создают разрежение, в подрабатываемом массиве образуется перепад давления в сторону дегазационных скважин вышележащего пласта, и, следовательно, весь метан, выделяющийся из угольного и породного массивов, будет дренироваться в дегазационные скважины. По мере продвижения огневого забоя навстречу направлению подачи дутья и обрушения пород над движущимся огневым забоем и выгазованным пространством формируются три зоны. Перед линией забоя формируется зона опорного давления А, которая направлена в сторону выгазованного пространства под углом полного сдвижения подработанного массива (Ψ₃) и является барьером для дренирования газа в сторону подработанного пространства, т.к. в этой зоне высокое горное давление.

Зона разгрузки В формируется над выгазованным пространством и ограничена с одной стороны границей зоны А, а с другой стороны - зоной восстановления горного давления С. В зоне разгрузки происходит расслоение и обрушение массива, т.е. резко уменьшается горное давление и повышается проницаемость массива. Наблюдениями установлено, что именно в зоне разгрузки В происходит интенсивная дегазация подработанного угольного и породного массива. Длина зоны разгрузки вышележащего пласта (интервал дегазации) определяется из выражения:

где H - глубина залегания нижележащего пласта, м;

h - глубина залегания вышележащего пласта, м;

Ψ₃ - угол полных сдвижений подработанного массива, град.;

ϕ₃ - угол зоны восстановления горного давления, град.;

α - угол залегания вышележащего угольного пласта, град.

На расстоянии L от линии огневого забоя 6 обрушенный и подработанный массив получает опору на почву выгазованного пространства и в вышележащем массиве формируется зона восстановления горного давления С, ограниченная от зоны В плоскостью, восстающей под углом восстановления горного давления ϕ₃. В этой зоне горное давление восстанавливается до первоначального значения и, следовательно, снижается проницаемость массива и затухают процессы его дегазации. Расстояние L определяют по формуле L=Н·ctgΨ₃/cosα. Чем дольше участок пласта 3 будет находиться в зоне разгрузки, т.е. чем больше период дегазации t, тем больше он успеет отдать метана. Величина периода дегазации зависит от величины интервала дегазации (L₁) и скорости подвигания линии огневого забоя (v), т.е. t=L₁/v, сут.

Зависимость, по которой определяется относительное метановыделение из подрабатываемого угольного пласта и породного массива, является функцией от периода дегазации, газоносности пласта, интервала дегазации и скорости подвигания огневого забоя. В частности, данную зависимость для угольного пласта можно описать математической формулой:

где Х_П, Х_O - природная и остаточная газоносность угля, м³/т;

М - мощность между пластья, м;

M_Р - предельное расстояние, на котором происходит дегазация подрабатываемого пласта, м;

t - период дегазации, сут;

z₁; z₂; z₃ - параметры, определяемые методами математической идентификации.

Для условий очистных забоев Кузбасса путем обработки статистических данных по приведенной выше формуле установлено, что z₁=0,1-0,2; z₂=0,5-0,7; z₃=0,7-0,9.

Значения других указанных выше показателей можно определять, например, в соответствии с Руководством по проектированию вентиляции угольных шахт ( М.: Недра, 1975).

Относительное метановыделение из породного массива определяется также известной зависимостью:

где Х_пор - газоносность пород, м³/м³;

z₄=0,6-0,8 - параметр, определяемый методами математической идентификации.

Относительное метановыделение из подрабатываемого угольного пласта на фиг.3 показано кривой 7. Исследование влияния скорости подвигания огневого забоя на эффективность попутной дегазации показывает, что чем больше скорость подвигания (v₁>v₂>v₃), тем меньше длительность периода дегазации (t₁<t₂<t₃).

Из представленных зависимостей следует, что изменением скорости подвигания линии огневого забоя можно управлять объемом метановыделения (q₃>q₂>q₁). Изменить скорость подвигания огневого забоя можно путем изменения интенсивности дутья. При снижении интенсивности дутья снизится скорость процесса газификации и, соответственно, скорость подвигания линии огневого забоя, при этом увеличивается относительное метановыделение из подрабатываемого массива и, следовательно, объем дегазируемого метана. Отводимую по трубопроводу в результате попутной дегазации вышележащего пласта и массива метановоздушную смесь можно смешивать с газом, получаемым при газификации нижележащего пласта, и направлять обогащенную смесь потребителю, т.е. повышать качество газовой смеси. При необходимости весь объем либо часть дегазируемого метана можно направлять в составе дутья в огневой забой для повышения теплотворной способности производимого горючего газа.

Основным преимуществом предложенного способа подземной газификации свиты угольных пластов по сравнению с известными является возможность проведения попутной дегазации подрабатываемого пласта в процессе газификации нижележащего пласта с добычей не менее 80% метана, находящегося в пласте. Предложенная технология позволяет повысить эффективность попутной дегазации управлением данным процессом за счет изменения скорости подвигания огневого забоя и величины периода дегазации.

1. Способ подземной газификации свиты угольных пластов, включающий проведение предварительной дегазации их через горизонтальные или наклонные скважины, пробуренные по вышележащему и нижележащему пластам с последующим переоборудованием скважин по нижележащему пласту в дутьевые, бурением по нему газоотводящих скважин, розжигом угля с подачей дутья навстречу огневому забою и отводом газовой смеси в направлении его подвигания, отличающийся тем, что в процессе газификации нижележащего угольного пласта проводят дегазацию расположенной над ним зоны разгрузки от горного давления вышележащего угольного пласта.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что длину зоны разгрузки вышележащего угольного пласта определяют из зависимости

где Н - глубина залегания нижележащего угольного пласта, м;

h - глубина залегания вышележащего угольного пласта, м;

ψ₃ - угол полных сдвижений подработанного массива, град;

ϕ₃ - угол зоны восстановления горного давления, град;

α - угол залегания вышележащего угольного пласта, град.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что период дегазации зоны разгрузки вышележащего пласта регулируют скоростью подвигания огневого забоя по нижележащему угольному пласту.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что метан, добытый в процессе дегазации вышележащего пласта, направляют потребителям и (или) в зону горения угля нижележащего пласта.