СПОСОБ КОМПЛЕКСНОЙ ДЕГАЗАЦИИ УГЛЕМЕТАНОВЫХ ПЛАСТОВ МЕСТОРОЖДЕНИЙ УГЛЯ

Изобретение относится к области горного дела, к технике дегазации углеметановых пластов месторождений угля, что необходимо, прежде всего, для безаварийной (взрывобезопасной) работы угольной шахты. Одновременно с этим решаются энергетические задачи утилизации ценного углеводородного сырья (метана), а также экологические проблемы предотвращения эмиссии парникового газа в атмосферу.

Известным техническим решением дегазации угольных пластов, осуществляемой, как правило, предварительно, является принятая в России система горизонтальных буровых каналов малого диаметра (до 50-60 мм), пробуренных из подземных выработок [1].

Недостатком этого технического решения является малая степень извлечения угольного метана (до 15-20%), большая его часть (до 75-80%) поглощается вентиляционной шахтной струей. Вентиляционная струя предотвращает возникновение взрывоопасной концентрации метана в подземных выработках, однако, учитывая малые его концентрации в метановоздушной смеси (до 1,0%) утилизация последней чрезвычайно проблематична.

Известным также техническим решением является заблаговременная дегазация углеметановых пластов, осуществляемая через систему вертикальных скважин с поверхности. По такой системе в США добывают до 50 млрд.м³ угольного метана ежегодно, при этом, как правило, уголь не извлекается. Известны также технические решения, усовершенствующие технологию гидравлического разрыва (разупрочнения) угольного пласта [2].

Недостатком этих технических решений является достаточно густая сетка вертикальных скважин (от 100 м×100 м до 400 м×400 м) и большие затраты на гидроразрыв угольного пласта, осуществляемого через эти поверхностные скважины.

В Германии большую часть извлекаемого метана добывают после завершения работы шахты [3] путем бурения на подработанный шахтный массив различных скважин. Такая остаточная дегазация углеметанового разгруженного массива весьма эффективна. Однако она рассматривается только как завершающая стадия работы шахты и не предусматривает использования в качестве дегазационной системы работающей шахты.

Известен способ дегазации угленосной толщи пластов, предназначенный для дегазации и попутной добычи метана из угметанового массива и заключающийся в бурении скважины с поверхности, ее обсадке до зоны обрушения пород разрабатываемого угольного пласта, тампонировании затрубного пространства, заблаговременной дегазации углеметановых пластов из неразгруженного массива через эту скважину, затем предварительной дегазации из разгруженного массива по мере приближения очистного забоя и остаточной дегазации после пересечения ствола скважины очистным забоем [4].

Недостатком известного способа является низкий объем выхода метана при предварительной дегазации из разгруженного массива по мере приближения очистного забоя и тем более при заблаговременной дегазации углеметановых пластов из неразгруженного массива, поскольку на этих стадиях отсутствует свободная поверхность углеметанового пласта, контактирующая со стволом скважины, а сам прилегающий массив не разупрочнен.

Задачей изобретения является обеспечение взрывобезопасной эксплуатации шахты, решение энергетических и экологических проблем углеметановых месторождений.

Технический результат - увеличение объема извлечения метана на стадиях заблаговременной и предварительной дегазации углеметановых пластов месторождений угля.

Поставленная задача решается и технический результат достигается тем, что в способе комплексной дегазации углеметановых пластов месторождений угля, заключающемся в сочетании последовательно осуществляемых через одну и ту же систему пробуренных с поверхности дегазационных скважин с обсаженными стволами, заблаговременной дегазации углеметановых пластов из неразгруженного массива разрабатываемого шахтного поля, предварительной дегазации из разгруженного массива разрабатываемого шахтного поля и остаточной дегазации из подработанного массива разрабатываемого шахтного поля, систему дегазационных скважин выполняют в виде модулей, в каждый из которых включают вертикально-горизонтальную и вертикальную скважины, соединяют их между собой, при этом обсадные колонны скважин фиксируют только до входа в углеметановый пласт, горизонтальный буровой канал вертикально-горизонтальной скважины используют для активного воздействия на разупрочнение углеметанового пласта на стадиях заблаговременной и предварительной дегазации, а обсаженные стволы скважин последовательно используют для извлечения десорбированного метана при заблаговременной, предварительной и остаточной дегазации углеметановых пластов.

Способствует достижению технического результата то, что:

- заблаговременную дегазацию углеметановых пластов из неразгруженного массива разрабатываемого шахтного поля, осуществляют, как правило, за несколько лет до начала их шахтной разработки;

- предварительную дегазацию углеметановых пластов из разгруженного массива разрабатываемого шахтного поля, осуществляют непосредственно перед приближением очистного (добычного) забоя к разрабатываему шахтному полю;

- остаточную дегазацию из подработанного массива, разрабатываемого шахтного поля осуществляют после продвижения очистного (добычного) забоя вглубь разрабатываемого шахтного поля.

Предпочтительным является прохождение горизонтального бурового канала вертикально-горизонтальной скважины, предназначенного для активного воздействия на разупрочнение углеметанового пласта, по сложной траектории, охватывающей всю мощность углеметанового пласта, и превращение его перед заблаговременной дегазацией в дрену с развитой поверхностью.

В конкретном примере на практике горизонтальный буровой канал вертикально-горизонтальной скважины, пройденный по сложной траектории, охватывающей всю мощность углеметанового пласта, превращают в дрену с развитой поверхностью путем нагнетания потока воды в вертикально-горизонтальную скважину с одновременным прикрытием задвижки на вертикальной скважине, последующей ее резкой разгрузкой и нагнетанием в вертикально-горизонтальную скважину потока воздуха высокого давления, многократным повторением цикла «нагнетание потока воды - нагнетание потока воздуха высокого давления» в вертикально-горизонтальную скважину для создания знакопеременного ударного воздействия на углеметановый пласт вдоль горизонтального бурового канала, при этом в качестве скважины-стока используют вертикальную скважину, через которую осуществляют выброс разрушенных обломков и кусков угля, отломанных со стенок горизонтального бурового канала.

В другом варианте превращение в дрену с развитой поверхностью горизонтального бурового канала вертикально-горизонтальной скважины сначала осуществляют, как описано выше, затем осуществляют реверс нагнетаемых потоков воды и воздуха высокого давления, при котором в качестве нагнетательной скважины используют вертикальную скважину, а в качестве скважины-стока - вертикально-горизонтальную скважину и осуществляют нагнетание потока воды в вертикальную скважину с одновременным прикрытием задвижки на вертикально-горизонтальной скважине, последующей ее резкой разгрузкой и нагнетанием в вертикальную скважину потока воздуха высокого давления, многократным повторением цикла «нагнетание потока воды - нагнетание потока воздуха высокого давления» в вертикальную скважину для создания знакопеременного ударного воздействия на углеметановый пласт вдоль горизонтального бурового канала, при этом выброс разрушенных обломков и кусков угля, отломанных со стенок горизонтального бурового канала, осуществляют через вертикально-горизонтальную скважину.

Создание знакопеременного ударного воздействия на углеметановый пласт вдоль горизонтального бурового канала осуществляют за счет периодического изменения давления в горизонтальном буровом канале в интервале значений от 1-2 до 50-60 атм.

Сопоставительный анализ заявленного технического решения с аналогами показывает, что предлагаемый способ в предложенной совокупности существенных признаков не известен из уровня техники и его реализация позволяет обеспечить извлечение метана до 80-90%.

Предлагаемый способ иллюстрируется принципиальными схемами и данными, характеризующими его результативность и принципиальные особенности.

На фиг.1 представлены схематически в качестве примера модули предлагаемой системы дегазационных скважин (разрез в плоскости пласта).

На фиг.2 показана трасса горизонтального бурового канала вертикально-горизонтальной скважины в пределах мощности углеметанового пласта (сечение в крест простирания пласта).

На фиг.3 представлен прогноз извлечения угольного метана по всем трем стадиям комплексной дегазации.

На фиг.4 показана технологическая схема воздействия на углеметановый пласт на всем протяжении горизонтального бурового канала и превращения его в дрену с развитой поверхностью.

На разрабатываемом шахтном поле заранее пробурено несколько модулей (фиг.1, 2), которые используют для дегазации углеметанового пласта последовательно на стадиях заблаговременной, предварительной и остаточной его дегазации.

На примере шахтного поля, предполагаемого к автоматизированной разработке углеметанового пласта, рассмотрим основные этапы реализации предлагаемого способа комплексной его дегазации.

В соответствии с планом горнотехнической разработки по направлению продолжения очистного забоя (фиг.1) бурят несколько модулей, состоящих из вертикально-горизонтальной скважины 1, включающей ее горизонтальный буровой канал 2, и вертикальной скважины 3. Обе скважины соединяют друг с другом, например, известным способом гидроразрыва углеметанового пласта 4.

При этом обсадные колонны буровых скважин 1 и 3 (фиг.2) заканчивают на границе «кровля - углеметановый пласт». Это обусловлено необходимостью предотвращения попадания инородных металлических тел (труб) в угольный массив, разрабатываемый механической (комбайновой) техникой.

Горизонтальную часть (горизонтальный буровой канал 2) вертикально-горизонтальной скважины 1 преимущественно проходят (пробуривают) по трассе, пересекающей всю толщу углеметанового пласта 4 (по сложной траектории, охватывающей всю мощность углеметанового пласта 4). Это обеспечивается современными интеллектуальными системами слежения и управления за продвижением забойного бурового двигателя.

Вертикальную скважину 3 бурят на конец сложного (пробуренного по сложной траектории, охватывающей всю мощность углеметанового пласта 4) горизонтального бурового канала 2. Окончательное их соединение проводят нагнетанием воды (при давлении гидроразрыва углеметанового пласта 4 в конкретных шахтных условиях) в вертикальную скважину 3.

Впоследствии буровой канал 2 используют для эффективного воздействия на углеметановый пласт путем его активного разупрочнения. Технологии воздействия могут быть различными и выбор одной из них определяется конкретными горнотехническими условиями данного углеметанового месторождения.

Стволы скважин 1 и 3 служат для сбора и эвакуации десорбированного угольного метана на всех трех стадиях комплексной (и полной) дегазации углеметанового пласта: заблаговременной, предварительной и остаточной дегазации.

Головки скважин 1, 3 имеют подводы, оборудованные задвижками 5,8 для нагнетания в скважины воды и воздуха. На прямом участке головок скважин установлены задвижки 6 и 7 для выброса через них воды, воздуха и угольной мелочи.

Практическая реализация расширения бурового канала и превращения его в дрену с развитой поверхностью осуществляется следующим образом.

Буровой канал 2 имеет диаметр 150-200 мм. Задача заключается не только в его расширении, но и в воздействии через буровой канал на углеметановый пласт 4 с тем, чтобы инициировать десорбцию угольного метана. Технологический регламент осуществления предлагаемого способа следующий.

После надежного соединения вертикально-горизонтальной 1 и вертикальной 3 скважин приступают к расширению горизонтального бурового канала 2.

С этой целью начинают нагнетать воду в вертикально-горизонтальную скважину 1 через подвод с задвижкой 8, при этом задвижки 6 и 5 закрыты, а задвижка 7 на вертикальной скважине 3 прикрыта настолько, чтобы поддерживать в горизонтальном канале 2 давление ориентировочно 50-60 атм. После этого задвижку 7 резко открывают, а в скважину 1 через задвижку 8 начинают нагнетать воздух высокого давления. В горизонтальном буровом канале 2 резко падает давление до 1-2 атм, при этом масса воды разгоняется в нем до больших скоростей - начинается ударно-гидравлическая обработка стенок бурового канала 2, сопровождающаяся активным разрушением и отламыванием кусков угля, а также выбросом последних через задвижку 7 вертикальной скважины 3.

Цикл «вода - воздух высокого давления», нагнетаемые в скважину 1 через задвижку 8, повторяют многократно, а путем прикрытия и открытия задвижки 7 на скважине 3 изменяют давление в горизонтальном канале 2 соответственно от 50-60 до 1-2 атм. Такое знакопеременное ударное воздействие на стенки бурового канала 2 содействует отламыванию кусков угля с его стенок и выносу их через открытую задвижку 7.

Технологическим регламентом предусматривается также реверс потоков, т.е. в качестве нагнетательной скважины используют уже вертикальную скважину 3, а в качестве скважины - стока вертикально-горизонтальную скважину 1. При этом задвижку 6 на этой скважине используют для периодического изменения давления в расширяемом буровом канале 2 от 1-2 до 50-60 атм и выброса через нее угольной мелочи.

Степень полной дегазации прогнозируется достаточно высокой (фиг.3). Так, на стадии заблаговременной дегазации извлечение угольного метана будет достигать 70% (I). И в этом нельзя сомневаться, т.к. в заблаговременной дегазации через систему вертикальных скважин в США степень извлечения угольного метана составляла 80-90%, а концентрация метана достигала 90-95%.

При продвижении очистного (добычного) забоя шахтной выработки к модулям дегазационных скважин наступает стадия предварительной дегазации. На ее долю прогнозируется 15% (II) запасов угольного метана. И, наконец, на стадии остаточной дегазации прогнозируется 10% (III) извлечения запасов угольного метана. Таким образом, предлагаемый способ комплексной дегазации углеметанового пласта месторождения угля обеспечивает извлечение угольного метана до 95% его запасов. Такое опережающее извлечение угольного метана до начала автоматизированной шахтной разработки углеметанового пласта снижает взрывоопасность в шахтных выработках практически до нуля.

Утилизация извлеченного метана существенно повышает энергетическую эффективность работы шахты. Одновременно с этим появляются реальные перспективы использования рыночных механизмов Киотского протокола за сокращение выброса метана как парникового газа.

Рассмотренный пример применения предлагаемого способа комплексной дегазации вполне может быть использован на любой стадии разработки шахтного поля и с учетом развития и планирования горнотехнических работ в шахте.

Реализация предложенного способа позволяет увеличить объем извлечения метана на стадиях заблаговременной и предварительной дегазации углеметановых пластов месторождений угля, обеспечить взрывобезопасную эксплуатацию шахты, решить энергетические и экологические проблемы углеметановых месторождений.

Источники информации

1. Крейнин Е.В. Нетрадиционные термические технологии добычи трудноизвлекаемых топлив: уголь, углеводородное сырье. - М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2004, - с.203-251.

2. RU 2209968, 2003.

3. Безпфлюг В.А. Киотский протокол и шахтный газ. //Уголь. - 2005, №4, с.26-27.

4. SU 1479683, 1989.