Способ подготовки газоносного угольного пласта к отработке
Владельцы патента RU 2659298:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU)
Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для обеспечения безопасности очистных работ при подземной отработке газоносных угольных пластов при столбовой системе разработки. Техническим результатом является повышение безопасности отработки газоносного угольного пласта. Предложен способ подготовки газоносного угольного пласта к отработке при столбовой системе разработки, включающий проходку оконтуривающих штреков, бурение из них в пласт нагнетательных и дегазационных скважин, размещение устьев нагнетательных скважин на расстояниях, равных двум длинам герметизации, и последующую гидрообработку пласта и отсос газа через дегазационные скважины. При этом нагнетательные скважины бурят в приконтурную часть столба. Причем герметизацию нагнетательных скважин осуществляют на длину не менее 20 м при длине нагнетательного участка до 5 м. Дегазационные скважины бурят направленно в серединную часть столба с расположением стволов дегазационных скважин вне зоны гидрообработки. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для обеспечения безопасности очистных работ при подземной отработке газоносных угольных пластов при столбовой системе разработки, что особенно важно применять при высоких нагрузках на очистной забой.
Известен способ подготовки газоносного угольного пласта к отработке при столбовой системе разработки [Приложение №4 к Инструкции по дегазации угольных шахт, утвержденной приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 1 декабря 2011 года №679. II. Дегазация разрабатываемых пластов на выемочных участках. Рис. 8. http://enis.gosnadzor.ru/activity/control/geology/Об%20утверждении%20Инструкции%20по%20дегазации%20угольных%20шахт_Текст.pdf], включающий проходку оконтуривающих штреков, примыкающих к очистному забою, бурение из штреков в пласт дегазационных скважин, ориентированных вдоль и поперечно расположению выемочного столба.
Недостатком данного способа является низкая эффективность дегазации угольных пластов с низкой газопроницаемостью, что особенно проявляется при дегазации неразгруженной от горного давления серединной части выемочного столба. Кроме того, значительная часть угольного метана фильтруется из пласта в оконтуривающие выработки, что приводит к повышению концентрации сухого метана в вентиляционной струе на входе в лаву. По этой причине энергия горного давления, энергия газообразного метана в воздушной струе и сорбированного метана в угольном пласте представляют угрозу проявления опасных горно-динамических явлений в виде горных ударов, внезапных выбросов угля и взрывов газа.
Прототипом изобретения является способ подготовки газоносного угольного пласта к отработке при столбовой системе разработки, включающий проходку оконтуривающих штреков, примыкающих к очистному забою, бурение из штреков в пласт нагнетательных и дегазационных скважин, размещение устьев нагнетательных скважин на расстояниях, равных двум длинам герметизации, последующую гидрообработку пласта и отсос газа [Инструкция по дегазации угольных шахт, утвержденная приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 1 декабря 2011 года №679 Приложение №4. - III. Дегазация разрабатываемых пластов скважинами с применением подземного гидроразрыва. - Рис. 18 (прототип). http://еnis.gosnadzor.ru/activity/control/geology/Об%20утверждении%20Инструкции%20по%20дегазации%20угольных%20шахт_Текст.pdf]. В данном способе реализуется эффект повышения дебита метана из дегазационных скважин за счет повышения газопроницаемости угольного пласта под действием распорного давления воды при гидрооработке.
Недостатком известного технического решения является низкая безопасность очистных работ вследствие неравномерной гидробработки и дегазации угольного пласта. Поочередное расположение нагнетательных и дегазационных скважин приводит к чередованию зон повышенной и пониженной газопроницаемости угля в выемочном столбе, что создает угрозу неравномерной и опасной концентрации энергии метана и геомеханической энергии породного массива вдоль длины очистного забоя по мере его перемещения. Кроме того, известный способ характеризуется высокой трудоемкостью дегазации угольного пласта, требующей бурения большого количества дегазационных скважин. Высокая трудоемкость работ связана также с необходимостью герметизации, обустройства устьевой части скважин и прокладки в штреках длинных участковых газопроводов для отсоса метана. Еще одним недостатком является возникновение неравномерных геомеханических напряжений вокруг нагнетательных скважин в связи с изменением деформационных свойств угля при его увлажнении. Это приводит к концентрации энергии касательных напряжений, определяющих вероятность опасных горно-динамических явлений.
Задачей изобретения является повышение безопасности очистных работ и снижение трудоемкости при подготовке газоносного угольного пласта к отработке.
Техническим результатом изобретения является повышение безопасности отработки газоносного угольного пласта за счет увлажнения приконтурной части выемочного столба, повышения съема метана из серединной части выемочного столба и ее геомеханической разгрузки. При реализации изобретения достигается снижение материальных затрат на обустройство и эксплуатацию дегазационных скважин и сокращение длины участковых газопроводов.
Это достигается тем, что в способе подготовки газоносного угольного пласта к отработке при столбовой системе разработки, включающем проходку оконтуривающих штреков, примыкающих к очистному забою, бурение из штреков в пласт нагнетательных и дегазационных скважин, размещение устьев нагнетательных скважин на расстояниях, равных двум длинам герметизации, последующую гидрообработку пласта и отсос газа, нагнетательные скважины бурят в приконтурную часть столба, а дегазационные - направленно в серединную часть столба до очистного забоя с расположением стволов дегазационных скважин вне зоны гидрообработки.
Кроме того, герметизацию приконтурной части нагнетательных скважин осуществляют на длину не менее 20 м при длине нагнетательного участка до 5 м.
Способ подготовки газоносного угольного пласта к отработке осуществляют следующим образом.
На фигуре показан способ подготовки газоносного угольного пласта к отработке по системе разработки длинными столбами. Разрабатываемый угольный пласт в выемочном столбе 1 оконтуривают штреками 2, 3 и располагают между барьерными целиками 4 и 5. Буровым станком (на рисунке не показано) из штреков 2 и 3 осуществляют бурение нагнетательных скважин 6 в приконтурную область выемочного столба 1 и параллельно очистному забою 7. Через нагнетательные скважины 6 в пласт закачивают воду, которая заполняет приконтурную область 8 около штреков 2 и 3. Кроме того, из штреков 2 и 3 бурят криволинейные дегазационные скважины 9, направленные в серединную часть столба 1 до очистного забоя 7 с расположением стволов 10 скважин 9 вне зоны гидрообработки. Очистной забой 7 в лаве ограничен от выработанного пространства 11 крепью 12. Газ из дегазационных скважин 9 отсасывают через участковый газопровод 13 на поверхность (на рисунке не показано). Герметизацию приконтурной части нагнетательных скважин 6 осуществляют на длину не менее 20 м при длине нагнетательного участка до 5 м.
Положительный эффект предложенного технического решения заключается в интенсификации дегазации центральной части выемочного столба 1 и его геомеханической разгрузке, что обеспечивает повышение безопасности очистных работ по газовому фактору. Кроме того, при реализации способа сокращается суммарная длина стволов дегазационных скважин, приходящихся на единицу массы угля в центральной части выемочного столба 1. Уменьшение количества дегазационных скважин сокращает затраты на их герметизацию и подключение к участковому газопроводу. Длина участковых газопроводов в штреках 2 и 3 также сокращается, поскольку метан отсасывают из устья скважин 9, расположенных на выходе из выемочного столба 1. Увлажнение приконтурной части 8 выемочного столба 1 приводит к понижению ее газопроницаемости, что сокращает фильтрационный приток метана из пласта в штреки 2 и 3. Увлажнение угля на участках 8 на входе и выходе из очистного забоя 7 приводит к повышению влажности вентиляционного потока, что способствует флегматизации взрывоопасных метано-воздушных смесей в лаве. Гидравлическая обработка приконтурной части выемочного столба приводит к вертикальным распорным усилиям под распорным давлением воды, нагнетаемой при гидрообработке. Вода под давлением более 100 бар заполняет трещины, поровое и капиллярное пространство в угле. При этом, как свидетельствует практика, подавляющая часть воды после гидрообработки из нагнетательных скважин не истекает и остается в угольном пласте. Распорное давление воды в приконтурной части 8 приводит к геомеханической разгрузке серединной части выемочного столба 1 и способствует повышению газопроницаемости. Это, в свою очередь, интенсифицирует дегазацию пласта через стволы 10 скважин 9.
Как показывает практика, положительный эффект при реализации способа достигается при условии, что герметизацию приконтурной части нагнетательных скважин 6 осуществляют на длину не менее 20 м при длине нагнетательного участка до 5 м. В этом случае при давлениях воды до 200 бар исключается прорыв воды из скважин 6 через приконтурную зону трещиноватости в штреки 2 и 3. По результатам компьютерного моделирования и производственной практики, для эффективной подготовки газоносного угольного пласта к отработке в течение шести месяцев дегазации со съемом метана более 5 м3/т расстояние между стволами дегазационных скважин принимают равным в пределах 10-15 м. Указанная величина съема метана, как правило, является достаточной для обеспечения требуемого положительного эффекта в виде повышения безопасности очистных работ при отработке газоносных угольных пластов с высокими нагрузками на очистной забой.
Экономическая эффективность предложенного способа по сравнению с прототипом достигается за счет повышения безопасности при отработке газоносных угольных пластов, что особенно актуально при высоких нагрузках на очистной забой. Вместе с этим экономический эффект достигается за счет сокращения объема трудоемких работ при бурении и обустройстве дегазационных скважин и участковых газопроводов.
Пример реализации. На шахте им. С.М. Кирова используют технологию разработки угольных пластов длинными столбами. Газоносный пласт "Болдыревский" с глубины 150 м отнесен к угрожаемым по горным ударам. Между оконтуривающими штреками 2 и 3, расположенными друг от друга на расстоянии 200 м, расположен очистной забой с механизированным комплексом для добычи угля. Длина выемочного столба 1700 м. Для обеспечения безопасности работ при высоких нагрузках на очистной забой необходимо исключить проявление опасных горно-динамических явлений. С этой целью, в соответствии с изобретением, из оконтуривающих штреков 2 и 3 станком БУГ-200 бурят нагнетательные скважины 6 диаметром 160 мм длиной 25 м. Далее устья нагнетательных скважин 6 разбуривают до диаметра 200 мм на глубину 20 м. В разбуренную часть скважин 6 устанавливают металлические трубы с внешним диаметром 150 мм, а затрубное пространство герметизируют с помощью твердеющего химического состава типа "Шахтиклей". После обустройства устья скважин 6 их последовательно подключают к насосу высокого давления серии Р80/340-170 и осуществляют нагнетание воды с темпом 340 л/мин, реализуя давление до 200 бар. Вода входит в угольный пласт через полость нагнетательного участка длиной 5 м. При этом достигается увлажнение угольного пласта на расстояние до 25 м от ствола нагнетательных скважин 6. Для дегазации серединной части выемочного столба осуществляют направленное бурение криволинейных скважин 9 буровым станком VLD-1000A (компания “Valley Long wall Drilling Systems International Pty”). В конкретном случае из штреков 2 и 3 пробурено семь направленных скважин 9 длиной более 1600 м каждая, диметром 96 мм, с размещением их прямолинейных стволов 10 вдоль протяженности выемочного столба 1 в его серединной области, что схематически соответствует реализации изобретения по представленной фигуре. Расстояние между стволами 10 дегазационных скважин 9 выбрано с учетом длительности их функционирования для обеспечения нужной степени дегазации. В частности, при длительности их функционирования в режиме дегазации в течение 6 месяцев расстояние между стволами скважин составляет 15 м.
При реализации способа достигаются следующие показатели:
- снижается газообильность очистного забоя в 1,5-2 раза;
- сокращаются затраты на бурение и эксплуатацию множества дегазационных скважин в 3-4 раза;
- практически исключаются затраты на сооружение участкового газопровода.
Реализация изобретения позволяет повысить нагрузку на очистной забой в 1,5-2 раза при обеспечении высокого уровня безопасности горных работ, за счет снижения концентрации метана в атмосфере горных выработок и исключая риск проявления опасных горно-динамических явлений.
1. Способ подготовки газоносного угольного пласта к отработке при столбовой системе разработки, включающий проходку оконтуривающих штреков, примыкающих к очистному забою, бурение из штреков в пласт нагнетательных и дегазационных скважин, размещение устьев нагнетательных скважин на расстояниях, равных двум длинам герметизации приконтурной части столба, последующую герметизацию гидрообработкой пласта и отсос газа, отличающийся тем, что нагнетательные скважины бурят в приконтурную часть столба, а дегазационные - направленно в серединную часть столба до очистного забоя с расположением стволов дегазационных скважин вне зоны гидрообработки.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что герметизацию приконтурной части нагнетательных скважин осуществляют на длину не менее 20 м при длине нагнетательного участка до 5 м.
