Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование параметров горно-технической системы шахты при комплексном извлечении угля и метана в условиях Ерунаковского месторождения

ВАК РФ 25.00.21, Теоретические основы проектирования горно-технических систем

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров горно-технической системы шахты при комплексном извлечении угля и метана в условиях Ерунаковского месторождения"

На правах рукописи

ЛЕЙСЛЕ Артем Валерьевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГОРНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ШАХТЫ ПРИ КОМПЛЕКСНОМ ИЗВЛЕЧЕНИИ УГЛЯ И МЕТАНА В УСЛОВИЯХ ЕРУНАКОВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Специальность 25.00.21 — Теоретические основы проектирования горно-технических систем

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005061110

ич ш

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2013

005061110

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Ковалев Олег Владимирович

Официальные оппоненты:

Мустафин Мурат Газизович доктор технических наук, ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», кафедра инженерной геодезии, заведующий кафедрой

Никишин Даниил Юрьевич кандидат технических наук, ООО «ГорноХимический инжиниринг», департамент горного проектирования, отдел подземных горных работ, руководитель отдела.

Ведущая организация - ОАО «ГИПРОШАХТ»

Защита диссертации состоится 24 июня 2013 г. в 15 ч на заседании диссертационного совета Д 212.224.09 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный»

Автореферат разослан 24 мая 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ------ " " " ФОМИН

диссертационного совета • Сергей Игоревич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Увеличение объемов добычи угля подземным способом влечет за собой необходимость отработки более глубоких запасов, для которых характерно высокое метаносодержание, что снижает безопасность отработки по газовому фактору и приводит к увеличению выбросов в атмосферу вредных газов. Проблема добычи шахтного метана является комплексной проблемой и состоит из трех основных аспектов - это повышение безопасности очистных забоев по газовому фактору, снижение экологически вредных выбросов в атмосферу и потеря ценного энергетического сырья. Запасы данного вида сырья сопоставимы с запасами природного газа и составляют в России порядка 83,7 млрд.м3.

Для предприятий Кузнецкого угольного бассейна вопросы безопасности и повышения эффективности отработки стоят наиболее остро. Анализ деятельности угледобывающих предприятий показывает формирование тенденции к увеличению концентрации горных работ. За последние 20 лет на Ерунаковском, Томь-Усинском, Ленинском и Терсинском месторождениях было построено и реконструировано более десятка шахт, работающих по принципу «шахта-лава». Производственная мощность предприятий обеспечивается одним очистным забоем, таким образом, необходимым условием их рентабельной работы является высокая нагрузка на лаву. Использование современного очистного оборудования позволяет достигать высоких нагрузок на забой, однако, при увеличении глубины горных работ, основным фактором, сдерживающим высокоинтенсивную отработку запасов, становится «газовый». В настоящее время большая часть шахт рассматриваемого района являются сверхкатегорными по газу. На предприятиях проводятся мероприятия по дегазации, как отрабатываемого пласта, так и выработанного пространства. Используемые способы борьбы с метановы-делением позволяют обеспечить метанобезопасность выемочных участков, однако, дальнейшее увеличение глубины отработки запасов (газоносности пластов), потребует внедрения более эффектив-

ных технологических схем извлечения метана из углесодержащих массивов.

Многолетнее изучение геологоразведочными и научно-исследовательскими организациями метаноносности угольных пластов позволило оценить ресурсы метана на площадях Кузнецкого бассейна в 13 трлн. м3 до глубины 1800 м, и в 5-6 трлн. м - до 1200 м. Приближённая оценка запасов метана на рассматриваемых площадях говорит о целесообразности решения для Кузбасса проблемы освоения энергоресурсов в комплексной постановке, используя уже созданные (создаваемые) при обычной технологии добычи угля подземные пространства.

Существенный вклад в теоретические и практические вопросы управления метановыделением и каптажа метана при отработке пластовых месторождений внесли такие ученые и специалисты, как Забурдяев B.C., Рубан А.Д., Пучков Л.А., Ковалев О.В., Захаров В.Н., Артемьев В.Б. и др. Проекты освоения нетрадиционных ресурсов метана из угольных пластов характеризуются значительными геологическими и технологическими рисками, особенно на ранней стадии реализации, и одним из наиболее изменчивых и сложно прогнозируемых параметров является дебит скважин для добычи метана. Прогноз дебита скважин основывается на результатах экспериментальных работ и на анализе мирового опыта разработки метаноугольных месторождений со сходными геолого-промысловыми характеристиками, что затрудняет проектирование предприятий по добыче угольного метана, в частности, при условии техногенного воздействия на массив при добыче угля, и как следствие улучшении его фильтрационных характеристик (комплексная добыча).

Цель диссертационной работы. Обоснование и разработка методики определения параметров горнотехнической системы при комплексном извлечении угля и метана в условиях отработки пологих пластов Ерунаковского месторождения.

Основные задачи исследования:

1. Изучение структуры газового баланса очистных забоев при высокопроизводительной отработке пологих пластов Кузнецкого месторождения.

2. Анализ и обобщение информации о источниках метано-выделения, способах их дегазации, параметрах используемых схем извлечения метана.

3. Выполнение пространственно-временной оценки геомеханических состояний и газодинамических свойств массива, закономерно меняющихся в процессе ведения горных работ на шахто-пластах месторождения.

4. Определение газоотдачи характерных участков массива, а соответственно и эффективности забора из них метана в функции пространственно-временной изменчивости напряженно-деформируемого состояния (НДС) таких участков.

5. Разработка рекомендаций по совершенствованию способов дегазации с учетом обеспечения метанобезопасности при требуемой нагрузке на очистной забой.

6. Оценка и обоснование рациональных проектных параметров горно-технической системы шахты при традиционных (участковая дегазация) и рекомендуемых (предварительная дегазация) схемах дегазации шахтопластов.

7. Разработка принципиальных вариантов технологий комплексного извлечения метана и угля в условиях Ерунаковского месторождения.

8. Разработка алгоритма проектирования и расчета рациональных параметров технологии комплексного извлечения угля и метана.

9. Прогнозная технико-экономическая оценка проектных решений по комплексному извлечению угля и метана.

Идея диссертационной работы:

При проектировании предприятий с комплексным извлечением угля и метана параметры технологических схем следует определять по разработанной методике, учитывающей изменчивость параметров фильтрации газа в массиве, обусловленную изменением НДС массива в результате интенсификации газоотдачи.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использован комплексный метод исследований: анализ и обобщение данных, опубликованных в научной и горнотехнической литературе по вопросам извлечения метана из угольного пласта, вмещающего

массива и выработанных пространств очистных забоев. Анализ структуры газового баланса и объемов выделяющегося газа на выемочном участке по различным источникам метановыделения и газозабора в функции различных параметров. Установление рациональных областей использования различных проектных решений на базе: решения задач о НДС массива с использованием численных методов; оценки изменчивости фильтрационных свойств массива в функции параметров его НДС; расчета дебетов скважин в характерных «зонах» массива для определенных временных моментов «существования» выработанных пространств (геомеханической обстановке во вмещающем отрабатываемый пласт массиве).

Научная новизна диссертационной работы: Установлена линейная функциональная зависимость изменчивости механических состояний массива при техногенном воздействии на него и газодинамических характеристик углей и пород;

Определены требования к исходным данным для проектирования основных параметров горно-технической системы шахты при комплексном извлечении угля и метана.

Основные защищаемые положения:

1. Существующие технологические схемы по извлечению угля и дегазации, применяемые при высокоинтенсивной отработке пологих пластов, включенных в свиту, являются малоэффективными для промышленной добычи угольного метана, т.к. их применение обеспечивает коэффициент извлечения метана, содержащегося в свите, в пределах 20-40%, в зависимости от скорости подвигания очистного забоя, при этом 15-20% метана теряется через поверхностную эмиссию или остается в трещинно-пористом коллекторе подработанного массива.

2. При обосновании проектных параметров технологических схем комплексного извлечения расчет дебита газозаборных скважин следует вести поэтапно для характерных зон подработанного массива с учетом параметра проницаемости, зависящего от изменения объёмных деформаций, с пересчетом газодинамических свойств (проницаемости, внутрипластового давления) указанных зон массива на каждом этапе.

3. Выбор способов извлечения угольного метана и обоснование проектных параметров вертикальных и горизонтальных газодобывающих скважин следует вести по разработанному алгоритму, учитывающему изменение проницаемости характерных зон массива в результате его подработки.

Практическая значимость работы:

Разработана методика выбора и расчета рациональных параметров горнотехнической системы по комплексному извлечению угля и метана на базе учета взаимовлияния механических и газодинамических процессов в массиве горных пород.

Предложена инженерная зависимость для расчета проницаемости различных характерных зон надработанной и подработанной толщи, позволяющая обосновать проектные решения при оценке эффективности различных технологических схем извлечения угольного метана.

Определена структура газового баланса углевмещающей толщи; интенсивность газовыделения и эффективность газозабора из различных характерных зон углевмещающего массива в условиях работы высокопроизводительных очистных забоев

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций обеспечивается использованием современных апробированных методов исследований; подтверждается большим объемом проанализированной информации по математическим моделям и методам численного моделирования НДС массива горных пород (МГП), корректностью выполненных экспериментально-аналитических исследований и удовлетворительной сходимостью их с результатами численного моделирования, широким сопоставлением результатов по разработанной методике с натурными данными.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодной Международной конференции на базе Фрайбергского технического университета (г. Фрайберг, Германия, 2012 г.); IV всероссийской конференции «Нефтегазовое и горное дело» (Пермь, 2011 г.); на ежегодных научных конференциях молодых ученых Национального минерально-сырьевого университета «Горный» «Полезные ископаемые России и их освоение»

(Санкт-Петербург, 2011, 2012 гг.); семинарах кафедры РМПИ Горного университета.

Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований, разработке методики проведения исследований, анализе геологических и горно-технологических условий отработки угольных пластов Ерунаковского месторождения, проведении компьютерного моделирования НДС углевмещающей толщи, установлении основных параметров рекомендуемой технологии предварительной или попутной дегазации свит угольных пластов в условиях шахт Кузбасса, формулировании основных защищаемых положений и выводов.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 6 печатных работах, из них 2 - в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России.

Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 217 страницах машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 148 источников, приложения, включает 89 рисунков и 20 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертационной работы проанализированы особенности проектирования и отработки месторождений Ерунаковского района Кузбасса. Проанализированы и обобщены особенности современного этапа развития угледобычи в рассматриваемом регионе и выявлены основные проблемы, снижающие эффективность работы горных предприятий. Рассмотрены методики расчета эффективности скважинного извлечения шахтного метана отрабатываемого пласта, пластов спутников и выработанного пространства. Проведен анализ проектно-нормативной базы по расчёту параметров дегазации выемочных участков. В заключение сформулированы основные требования к научному обоснованию безопасных и рациональных параметров используемых и перспективных технологических схем, сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе проанализированы и обобщены геологические и горнотехнические условия на шахтных полях месторождений Кузбасса. Оценены и обобщены данные об эффективности использования различных технологических схем по извлечению метана с

учетом механического состояния углевмещающего массива горных пород. Проведены аналитические исследования основных факторов, определяющих структуру газового баланса и разработана модель его формирования на высокопроизводительных выемочных участках.

В третьей главе на базе обобщения геологической и горнотехнической информации по шахтным полям Ерунаковского района Кузбасса построены характерные горно-геомеханические модели углевмещающего МГП. На базе анализа пространственно-временной изменчивости механического состояния подработанного и надрабо-танного массива разработаны расчетные схемы для оценки НДС МГП в постановке плоскодеформированного состояния, проведена оценка взаимовлияния механического состояния МГП и его газодинамических свойств для различных характерных зон надработанного и подработанного массива с учетом фактора времени.

В четвертой главе на базе проведенных исследований выявлены функциональные зависимости механических состояний углевмещающего массива от параметров (геометрических и временных) технологических схем дегазации и отработки угольных месторождений. Разработаны методические аспекты синергетики механического состояния и газодинамики углевмещающего массива горных пород. Выполнена оценка потенциального уровня извлекаемое™ метана из угольных пластов для обоснования эффективных параметров технологии отработки и дегазационной подготовки угольных пластов. Предложены рациональные технологии дегазации (предварительной и попутной) и отработки угольных пластов, предложен алгоритм принятия решений по предварительной дегазации (комплексному использованию) шахтопластов.

В пятой главе разработана методика расчета параметров предварительной дегазации шахтопластов и обоснована необходимость и целесообразность проведения мероприятий по её интенсификации. На базе проведенных исследований преложен алгоритм принятия решений и расчета параметров при проектировании совместного извлечения угля и метана для различных источников ме-тановыделения. Выполнена оценка прогнозной экономической эффективности принимаемых проектных решений по комплексному использованию метана и угля.

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

1. Существующие технологические схемы по извлечению угля и дегазации, применяемые при высокоинтенсивной отработке пологих пластов, включенных в свиту, являются малоэффективными для промышленной добычи угольного метана, т.к. их применение обеспечивает коэффициент извлечения метана, содержащегося в свите, в пределах 20-40%, в зависимости от скорости подвигапия очистного забоя, при этом 15-20% метана теряется через поверхностную эмиссию или остается в трещин-но-пористом коллекторе подработанного массива.

Опыт излечения угольного метана показал, что, за исключением частных случаев, добыча данного газа сопряжена со значительными трудностями, основные из которых связаны с низким дебитом скважин и незначительными сроками их эксплуатации. Попытки «адаптировать» к угольному метану способы интенсификации газоотдачи, используемые при добыче нефти или природного газа, также оказались безуспешными в подавляющем большинстве случаев. Единственным универсальным способом интенсификации газоотдачи является подработка угленосной толщи длинными очистными забоями. Однако, и при подработке в угольных пластах остается значительное количество газа.

В настоящее время практически на всех предприятиях района, работающих по схеме «шахта-лава», проводится комплексная дегазация углевмещающей толщи, принципиальная схема которой представлена на рисунке 1.

Технологическая схема включает в себя предварительную дегазацию отрабатываемого пласта пластовыми скважинами, дегазацию выработанного пространства скважинами, пробуренными с поверхности, дегазацию выработанного пространства скважинами с непогашаемой за лавой выработки и отвод метановоздушной смеси через целик из «кутка лавы».

На некоторых предприятиях не использовались те или иные из способов, приведенных на принципиальной схеме. Расстояние между пластовыми скважинами составляло 10-14 м, между

скважинами с поверхности - 100-500 м, между кустами скважин с параллельной выработки 50-70 м.

Рисунок 1 - Принципиальная схема комплексной дегазации выемочного участка предприятия со структурой «шахта-лава»

Наиболее высокая концентрация метана характерна для пластовых скважин и скважин с поверхности. Многие скважины отключались от вакуумирования при значительных дебитах и высокой концентрации. Анализ работы пластовых скважин (рисунок 2) показал, что их дебит носит довольно выдержанный характер и в некоторых случаях не снижается в течение 2 лет, скорость извлечения метана из неразгруженного от горного давления пласта составляет порядка 15% в год, это свидетельствует о том, что для достижения максимального коэффициента извлечения может понадобиться от 3 до 10 лет. Для ускорения десорбции газа необходимо изменять такие параметры как температура или размеры пор (например, за счет разгрузки от горного давления).

Для скважин с поверхности (рисунок 3) характерно быстрое «затухание» скорости источения метана, их дебит падает до определенной величины, но не снижается до нуля. Кроме того, хорошо выражены несколько «всплесков» метановыделения, что соответствует обрушениям толщ пород, содержащих подработанные пласты. По-

11

еле таких обрушений «обнажаются» значительные фильтрующие площади пластов спутников, и, соответственно, повышается дебит скважин. Анализ работы различных скважин позволил посчитать общий забор метана из выработанного пространства и разрабатываемого пласта при разной плотности их бурения.

Время. су1

Рисунок 2 - Характерная зависимость дебита от времени для пластовой дегазационной скважины

3.20

2,70

о т 4ü 00 „ 80 100 120 140 100

Время, cvt

Рисунок 3 - Характерная зависимость дебита от времени для вертикальной скважины, пробуренной в выработанное пространство с поверхности

В диссертации рассмотрен газозабор на 11 выемочных столбах 6 шахт, работа более 40 скважин с поверхности, более 500 скважин пробуренных по пласту и порядка 60 скважин пробуренных в выработанное пространство с параллельной выработки. Обобщение информации позволило построить структуру газового баланса угле-вмещающей толщи для характерного выемочного участка (рисунок 4). Необходимо подчеркнуть, что он отличается от «газового баланса выемочного участка», если в последнем балансе рассматривается лишь газ, который выделяется в рудничную атмосферу выемочного участка, и ни как не сопоставляется с исходными запасами газа в угленосной толще и остаточными его запасами, то при составлении газового баланса угленосной толщи должны отражаться все перечисленные составляющие.

Отрабатываемый пласт, 32,8 млн. м3

Подрабатываемые пласты, 62,6 млн. м3

Осталось в надработанных пластах, 9,4 млн. м3

б)

Осталось в угле на выходе с участка, 3,4 млн. м3

Осталось в подработанных пластах, 35,5 млн. м

Средства вентиляции, 3,4 млн. м3

Сбоечные скважины, 2,4 млн. м3

П( 1

Скважины с поверхности, 16,4 млн. м3

Дегазация пласта, 5 млн. м3

У,= 110,9 млн. м3 У2=91,7 млн. м3

Рисунок 4 - Характерная структура газового баланса углевмещающей толщи при работе высокопроизводительного очистного забоя

На рисунке 4,а показан баланс общего количества газа в свите до отработки столба, на рисунке 4,6 - количество газа, отве-

денного с участка средствами дегазации и вентиляции, а также остаточная газоносность угля. Разность в указанных балансах составляет около 20 %, что может быть объяснено поверхностной эмиссией метана за счет утечек через газопроводящие трещины, проницаемость которых для некоторых зон массива выше, чем проницаемость среды до дегазационной скважины. Коэффициент извлечения метана составил 0,34, но при увеличении времени забора метана скважинами мог быть увеличен.

В работе проанализирована зависимость выделения метана из источников (пласт, выработанное пространство) при различных скоростях подвигания очистного забоя. Мгновенное метановыделе-ние в выработанном пространстве при остановке забоя и максимальной скорости (до 12 м/сут) меняется лишь в пределах 20-50%, что характерно и для длительных простоев до 2 месяцев. Анализ данных показал, что при высоких скоростях очистного забоя время метанозабора (в том числе и скважинами с поверхности) значительно сокращается, а соответственно сокращается и общее количество извлеченного на участке метана.

Технологическая схема (рисунок 1) обеспечивает метанобе-зопасность выемочных участков, но не эффективна для промышленной добычи угольного метана, ввиду низкого коэффициента извлечения (0,2-0,4) и концентрации газовоздушной смеси, не пригодной для утилизации.

Дегазация позволяет практически полностью исключить газовыделение из подработанных и надработанных пластов в очистной забой, однако фактором ограничивающим нагрузку на лаву является метанообильность вынимаемого пласта при содержании метана в нем более 12-14 м3/т с учетом дегазации с коэффициентом 0,35. Для достижения такого коэффициента необходимо не менее 2-3 лет, а иногда и существенно больше. Моделирование мета-нообильности выемочных участков показывает, что на глубинах более 450 м использование высокопроизводительного оборудования будет не целесообразным, поскольку среднесуточная нагрузка будет менее 5-7 тыс. т, соответственно одним из рациональных выходов будет использование предварительной дегазации шахтопластов.

2. При обосновании проектных параметров технологических схем комплексного извлечения расчет дебита газозаборных скважин следует вести поэтапно для характерных зон подработанного массива с учетом параметра проницаемости, зависящего от изменения объёмных деформаций, с пересчетом газодинамических свойств (проницаемости, внутрипластового давления) указанных зон массива на каждом этапе.

В проектно-нормативной документации по проектированию вентиляции и дегазации на выемочных участках используются такие параметры как зона фильтрации, приводятся основные схемы бурения скважин и параметры эффективности приведенных схем. Данные параметры могут отличаться от натурных данных в разы, как в большую, так и в меньшую сторону. В первую очередь это касается коэффициента эффективности и необходимого времени на дегазацию. Использование данного материала для расчета параметров при проектировании добычи метана из подработанных (надра-ботанных) зон пласта на практике весьма затруднительно.

Так как напряженно-деформированное состояние угленосной толщи при отработке пластов оказывает определяющее значение на параметры фильтрации, в работе было промоделировано изменение НДС массива горных пород при отработке длинного очистного забоя.

На базе анализа горно-геологических условий залегания пластов в работе были построены обобщенные горно-геологические модели угленосного массива горных пород. Расчеты НДС проводились в постановке плоско-деформированного напряженного состояния для различных сечений по длине очистного забоя с учетом веса пород. При моделировании варьировались пролет выработанного пространства, мощность и глубина залегания пластов. В результате решения задач о НДС углевмещающего массива, возмущенного отработкой длинного очистного забоя, были построены поля вектора перемещений, тензоров напряжений и деформаций. Обобщенным параметром наиболее полно характеризующим пористость или проницаемость горных пород является объемная деформация (или средние напряжения). Анализ и обобщение результатов численного моделирования позволили предложить зависимость указанных па-

раметров в характерных зонах массива от глубины ведения горных работ, пролета выработанного пространства и расстояния от краевой части массива. Зависимости (рисунок 5) позволят при проектировании комплексной добычи угля и метана обосновать параметры газозаборных скважин (выработок) - радиус влияния скважин и дебит метана.

и Ч

и Л

-3 -4 -5

-6 -7

-а

-9

1 1 (1 20 ^--ТПГ-" 6 0 80 1С Ю 12

___

/ /

Г

/

/ / -пролет 20м пролет 40м пролет 80м пролет 160м .......пролет 250м

/ / ,-■•■•

! ,•••

Мощность междуплаетпя, м Рисунок 5 - Изменение объёмной деформации от величины пролета

Следует учесть, что параметр объемной деформации в различных зонах подработанного массива принимает разные значения. Выделенные зоны - это момент соответствующий пролету обрушения основной кровли, отход от монтажной камеры равный длине лавы, и моменты соответствующие сдвижению налегающих пород определённой мощности. Таким образом, для каждой характерной зоны по параметру изменения объемной деформации оценивается проницаемость, а соответственно и дебиты метанозаборных полостей согласно закону Дарси по площади фильтрующей поверхности,

Рисунок 6 - Алгоритм расчета параметров газодобывающих скважин: а) для вертикальных скважин; б) для горизонтальных скважин

Ьертканьнае скбахины

штикмьиые

скбохшы

ппастобые

скбахины

ппаспабие скбахины

Выработанное

Ы

дегазационные выработки

Верхний пласт

Г'оризонтёльные сбажины

Вертикальные скВажины

Контур лады

Рисунок 7 - Рекомендуемая технологическая схема комплексного извлечения метана и угля

Таблица 1 - Технико-экономические показатели рекомендуемой технологической схемы комплексного извлечения, для условий перспективных площадей отработки шахты «МУК-96»

Параметр Показатель

пластовые скважины вертикальные скважины

Расстояние между скважинами, м 12-30 100

Объём бурения, м 100 ООО 8400

Объём проходки, м 9000

Время подготовки, лет 1,5

Капитальные затраты, тыс. руб. 196800

Средний дебит скважины, м /мин 0,08-0,1 1,2-2

Время необходимое на дегазацию 2,5-3

Коэффициент извлечения 0,85

Общий газозабор, тыс. м3 154800

Себестоимость 1 м3 метана, руб. 1,39

пути фильтрации и виутрипластовому давлению. Кроме того, оцениваются мощности монолитных пачек и время их устойчивого состояния. После чего рассчитывается остаточное количество метана в соответствующих пластах и корректируется остаточное внутрипла-стовое давление. Все перечисленные расчеты повторяются после обрушения первого монолитного пакета пород.

3. Выбор способов извлечения угольного метана и обоснование проектных параметров вертикальных и горизонтальных газодобывающих скважин следует вести по разработанному алгоритму, учитывающему изменение проницаемости характерных зон массива в результате его подработки.

При проектировании комплексной добычи угля и метана одним из главных вопросов является вопрос о способах утилизации каптируемого метана. Так как в рассматриваемом регионе нет развитой газотранспортной сети и соответствующей инфраструктуры, то вопрос об утилизации газа должен решаться непосредственно на горнодобывающем предприятии. Основным направлением утилизации каптируемого газа является его сжигание в газотурбинных установках с выработкой электроэнергии, которая может использоваться на предприятии. Проектирование предприятий по комплексной добыче угля и метана может производиться по разработанной методике, представленной на рисунке 6.

В общей постановке добыча угольного метана может вестись из высокопроницаемых коллекторов, из некондиционных пластов угля и из пластов угля на перспективных площадях отработки. Все из перечисленных вариантов требуют различных подходов для проектирования предприятий по добыче метана. В первом случае -при добыче метана из геологических структур - проектирование предприятий может вестись по принципу «разбуривания» площади вертикальными скважинами с поверхности, во втором - потребуется погоризонтное разбуривание пластов угля горизонтальными скважинами. Стоимость таких работ может быть весьма значительной, а результаты дегазации - не соответствовать проектируемым параметрам.

Добыча метана на перспективных участках угольных шахт является базисом дальнейшей отработки предприятиями со структу-

рой «шахта-лава» высокогазоносных угольных пластов после их дегазации. Рекомендуемая технологическая схема комплексного извлечения метана и угля для таких участков представлена на рисунке 7, технико-экономические показатели, рассчитанные по алгоритму (см. рисунок 6), сведены в таблицу 1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи - обоснование параметров технологических схем комплексного извлечения угля и метана для шахт, отрабатывающих высокогазоносные угольные пласты, имеющей существенное значение при подземной разработке пологих пластовых месторождений.

Основные научные и практические результаты:

1. На основе анализа данных о концентрации метана в вентиляционной струе, о каптаже метана пластовыми дегазационными скважинами и скважинами, пробуренными с поверхности в купола обрушения, установлен газовый баланс углесодержащей толщи, который показывает, что при работе высокопроизводительных очистных забоев на шахтах, отрабатывающих пологие пласты, включенные в свиту, пластовой дегазацией каптируется 5-8 % метана, вентиляцией шахты удаляется 3-4 % метана от содержащегося в угленосной толще, коэффициент извлечения по свите не превышает 0,4.

2. Установлено, что основной причиной, не позволяющей использовать шахтный метан в виде энергетического сырья при дегазации выработанных пространств, является низкое содержание метана в каптируемых смесях, поэтому при проектировании добычи шахтного метана или комплексной добычи необходимо обеспечить высокую концентрацию метана в каптируемых смесях, что наиболее целесообразно делать путем расположения газозаборных скважин в зонах, исключающих «подсосы» воздуха через выработанные пространства, при использовании подработки для интенсификации газоотдачи углевмещающего массива.

3. Комплексная добыча угля и метана является перспективной технологией, поскольку подработка углесодержащего массива позволяет значительно интенсифицировать процесс газоотдачи, од-

нако для обеспечения работы высокопроизводительных очистных забоев на высокогазоносных пологих пластах мощностью 2,0-4,0 м необходимо их заблаговременно дегазировать с подработкой или надработкой, позволяющей извлечь до 80 % содержащегося в пластах метана.

4. Разработана методика моделирования НДС углевме-щающего массива, основанная на анализе горно-геологических условий и построении горно-геомеханических моделей слоистого уг-левмещающего МГП, отвечающих условиям Ерунаковского месторождения, позволившая смоделировать процессы, протекающие в массиве при работе высокопроизводительных очистных забоев, и установить расположение зон, имеющих характерные механические и газодинамические характеристики (определяемые уровнем объемных деформаций, трещиноватостью и степенью разрыхления горных пород), что необходимо учитывать при проектировании места расположения дегазационных скважин, расчете их дебита и его изменения во времени.

5. Предложены рациональные технологические схемы предварительной дегазации угольных пластов, в том числе при их подработке (надработке) и зависимости для расчета дебита скважин, пробуренных в различные характерные зоны подработанного (над-работанного) массива.

6. Предложены зависимости для расчета фильтрационных характеристик подработанных и надработанных слоев углевме-щающего МГП при вариации расстояния до отрабатываемого пласта и их изменения во времени с учетом уплотнения обрушенных слоев.

7. На базе проведенных исследований предложен алгоритм проектирования предприятий по извлечению угольного метана, в том числе и проектирования комплексной добычи угля и метана на перспективных площадях залегания высокогазоносных пологих пластов мощностью 2-5 м, включающий расчет дебита дегазационных скважин, расположенных в различных характерных зонах подработанного или надработанного углевмещающего МГП, и прогнозную оценку эффективности (технико-экономические показатели) рассматриваемых вариантов.

Публикации по теме диссертации:

1. Лейсле A.B. Возможное решение проблемы отработки газоносных угольных пластов высокопроизводительными механизированными комплексами// Записки Горного института. Том 195. СПб. 2012 г. с.111-115.

2. Мозер С.П., Ковалев О.В., Тхориков И.Ю., Лейсле A.B. Разработка методики выбора рациональных параметров добычи метана в условиях действующих шахт// Газовая промышленность - Метан угольных пластов № 672/2012. с. 52-56.

3. Ковалев О.В., Мозер С.П., Тхориков И.Ю., Лейсле A.B. Направления обеспечения эффективной отработки угольных пластов с использованием современных механизированных комплексов// Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения. Труды 9-й международной научно-практической конференции, Воркута, том 1,2011. с. 73-76.

4. Ковалев О.В., Мозер С.П., Тхориков И.Ю., Лейсле A.B. Перспективные технологические схемы отработки угольных пластов Прокопьевско-Киселевского района// Перспектива развития Про-копьевско-Киселевского угольного района как составная часть комплексного инновационного плана моногородов, Прокопьевск, сб. трудов III Международной научно-практической конференции, 2011. с. 99-101.

5. Лейсле A.B. Анализ опыта дегазации выемочных участков, отрабатывающих высокогазоносные пласты Кузнецкого бассейна// Вестник ПНИПУ - Геология. Нефтегазовое дело. Выпуск №2. ПНИПУ. Пермь. 2012 г. с. 115-120.

6. Kovalev O.V., Leisle A.V. Advanced technological schemes of complex extraction of gaseous and solid hydrocarbonic minerals from thick coal seams development// Scientific reports on recourse issues. Vol. 1. TU Bergademie Freiberg. 2012. pp.117-120.

Ковалев O.B., Лейсле A.B. Перспективные технологические схемы комплексного извлечения газообразных и твердых углеводородных ресурсов при отработке мощных угольных пластов// Научные доклады по вопросам природных ресурсов. Том 1. Фрайбергская горная академия. 2012 г., с. 137-141.

РИЦ Горного университета. 23.05.2013. 3.296. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Лейсле, Артем Валерьевич, Санкт-Петербург

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»

На правах рукописи

0420136024*5

ЛЕИСЛЕ Артем Валерьевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГОРНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ШАХТЫ ПРИ КОМПЛЕКСНОМ ИЗВЛЕЧЕНИИ УГЛЯ И МЕТАНА В УСЛОВИЯХ ЕРУНАКОВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Специальность 25.00.21 — Теоретические основы проектирования горнотехнических систем

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Ковалев Олег Владимирович

Санкт-Петербург - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................6

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА..........................................11

1.1 Современное состояние угольной отрасли россии и особенности проектирования и отработки угольных пластов Кузбасса......................................11

1.2 Технологические схемы отработки угольных пластов на современных шахтах Кузбасса...........................................................................................................16

1.3 Роль газового фактора в снижении нагрузки на очистной забой и используемые технологии дегазации угленосного массива...................................20

1.4 Анализ проектно-нормативной базы по вопросам вентиляции, управления газовыделением на выемочных участках и шахтопластах в целом.............................................................................................................................27

1.5 Анализ опыта добычи и проблем, связанных с метаном угольных пластов..........................................................................................................................32

1.6 Разработка концепции решения проблемы метанобезопасности при работе высокопроизводительных очистных забоев и прогнозная оценка области использования различных технологий комплексного извлечения метана и отработки угольных пластов......................................................................41

Выводы по главе 1. Цели и задачи исследований....................................................46

ГЛАВА 2 ВЫБОР МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЙ ГЕОМЕХАНО-ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К РАЗРАБОТКЕ ВАРИАНТОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ДОБЫЧИ МЕТАНА......................................................................................................................52

2.1 Обзор геологических и горно-технических ситуаций на шахтных полях кузбассса...........................................................................................................52

2.2 Анализ аналитических, экспериментальных и экспериментально-аналитических методов исследования механических и газодинамических процессов, протекающих в массиве горных пород.................................................60

2.2.1 Выбор методов исследования синергетики механических и газодинамических свойств углевмещающего массива...........................................60

2.2.2 Анализ факторов, определяющих газодинамические свойства углевмещающих массивов.........................................................................................67

2.3 Анализ технологической и экономической эффективности различных технологических схем извлечения метана...............................................................73

2.3.1 Анализ эффективности добычи газа из вмещающих пород..........................74

2.3.2 Оценка эффективности предварительной дегазации.....................................76

2.3.3 Извлечение метана из разгруженного от горного давления углегазоносного массива вертикальными скважинами..........................................81

2.3.4 Добыча метана из закрытых шахт....................................................................90

2.3.5 Анализ применения схем извлечение метана скважинами, пробуренными из горных выработок........................................................................93

2.4 Анализ опыта комплексной дегазации на современных шахтах Кузбасса........................................................................................................................96

Выводы по главе 2.....................................................................................................112

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОТВЕТСТВЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МГП И ИХ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК.....................................................115

3.1 Построение горно-геомеханических моделей при различных технологических схемах извлечения метана для оценки параметров ндс ответственных элементов массива..........................................................................115

3.2 Построение горно-геомеханических моделей и расчетных схем для моделирования ндс мгп в пределах выемочного участка.....................................121

3.3 Обоснование механических характеристик различных элементов мгп в рассматриваемых ггм................................................................................................128

3.4 Моделирование ндс углевмещающего мгп на базе разработанных ггм(рс) и анализ результатов моделирования........................................................131

3.6 Оценка влияния напряженного состояния мгп на его газодинамические свойства......................................................................................150

Выводы по главе 3.....................................................................................................151

ГЛАВА 4 ВЫБОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ПОПУТНОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАНА И ОБОСНОВАНИЕ ИХ ПАРАМЕТРОВ..................154

4.1 Оценка функциональной зависимости механических состояний массива от параметров (геометрических и временных) технологических

схем дегазации и отработки угольных месторождений........................................154

4.2 Разработка методических аспектов синергетики ндс и газодинамики угольных пластов......................................................................................................163

4.3 Разработка рациональных технологических схем предварительной и попутной дегазации угольных пластов и обоснование параметров таких технологий.................................................................................................................167

Выводы по главе 4.....................................................................................................171

ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПРИКЛАДНОМУ ИСПОЛЬЗОВАНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.................................172

5.1 Разработка алгоритма принятия решений при проектировании предварительной дегазации (комплексного использования) шахтопластов......172

5.2 Разработка методики расчета параметров дегазации источников метановыделения (надрабатываемый массив, разрабатываемый пласт, подрабатываемый массив)........................................................................................178

5.3 Оценка прогнозной экономической эффективности принимаемых

проектных решений по комплексному использованию метана и угля...............182

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................................186

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................................................188

Приложение А...........................................................................................................201

Приложение Б............................................................................................................215

ВВЕДЕНИЕ

Увеличение объемов добычи угля подземным способом влечет за собой необходимость отработки более глубоких запасов, для которых характерно высокое метаносодержание, что снижает безопасность отработки по газовому фактору и приводит к увеличению выбросов в атмосферу вредных газов. Проблема добычи шахтного метана является комплексной проблемой и состоит из трех основных аспектов - это повышение безопасности очистных забоев по газовому фактору, снижение экологически вредных выбросов в атмосферу и потеря ценного энергетического сырья. Запасы данного вида сырья сопоставимы с запасами природного газа и составляют в России порядка 83,7 млрд.м3.

Для предприятий Кузнецкого угольного бассейна вопросы повышения эффективности и безопасности отработки стоят наиболее остро. Анализ деятельности угледобывающих предприятий показывает формирование тенденции к увеличению концентрации горных работ. За последние 20 лет на Ерунаковском, Томь-Усинском, Ленинском и Терсинском месторождениях было построено и реконструировано более десятка шахт, работающих по принципу «шахта-лава». Производственная мощность предприятий обеспечивается одним очистным забоем, поэтому необходимым условием их рентабельной работы является высокая нагрузка на лаву. Использование современного очистного оборудования позволяет достигать высоких нагрузок на забой, однако при увеличении глубины горных работ основным фактором, сдерживающим высокоинтенсивную отработку запасов, становится «газовый». В настоящее время большая часть шахт рассматриваемого района являются сверхкатегорными по газу. На предприятиях проводятся мероприятия по дегазации, как отрабатываемого пласта, так и выработанного пространства. Используемые способы борьбы с метановыделением позволяют обеспечить метанобезопасность выемочных участков, но дальнейшее увеличение глубины отработки запасов (газоносности пластов) потребует внедрения более эффективных технологических схем извлечения метана из углесодержащих массивов.

Многолетнее изучение геологоразведочными и научно-исследовательскими организациями метаноносности угольных пластов позволило оценить ресурсы

•j

метана на площадях Кузнецкого бассейна в 13 трлн. м до глубины 1800 м, и в 56 трлн. м - до 1200 м. Приближённая оценка запасов метана на рассматриваемых площадях говорит о целесообразности решения для Кузбасса проблемы освоения энергоресурсов в комплексной постановке, используя уже созданные (создаваемые) при обычной технологии добычи угля подземные пространства.

Существенный вклад в теоретические и практические вопросы управления метановыделением и каптажа метана при отработке пластовых месторождений внесли такие ученые и специалисты, как Забурдяев B.C., Айруни А.Т., Рубан А.Д., Пучков Л.А., Ковалев О.В., Сластунов C.B., Захаров В.Н., Артемьев В.Б. и др. Проекты освоения метана из угольных пластов характеризуются значительными геологическими и технологическими рисками, особенно на ранней стадии реализации, и одним из наиболее изменчивых и сложно прогнозируемых параметров является дебит скважин для добычи метана. Прогноз дебита скважин основывается на результатах экспериментальных работ и на анализе мирового опыта разработки метаноугольных месторождений со сходными геолого-промысловыми характеристиками, что затрудняет проектирование предприятий по добыче угольного метана, в частности, при условии техногенного воздействия на массив при добыче угля, и как следствие улучшении его фильтрационных характеристик (комплексная добыча).

Цель диссертационной работы: обоснование и разработка методики определения параметров горнотехнической системы при комплексном извлечении угля и метана в условиях отработки пологих пластов Ерунаковского месторождения.

Основные задачи исследования:

1. Изучение структуры газового баланса очистных забоев при высокопроизводительной отработке пологих пластов Кузнецкого месторождения.

2. Анализ и обобщение информации о источниках метановыделения, способах их дегазации, параметрах используемых схем извлечения метана.

3. Выполнение пространственно-временной оценки геомеханических состояний и газодинамических свойств массива, закономерно меняющихся в процессе ведения горных работ на шахтопластах месторождения.

4. Определение газоотдачи характерных участков массива, а соответственно и эффективности забора из них метана в функции пространственно-временной изменчивости НДС таких участков.

5. Разработка рекомендаций по совершенствованию способов дегазации с учетом обеспечения метанобезопасности при требуемой нагрузке на очистной забой.

6. Оценка и обоснование рациональных проектных параметров горнотехнической системы шахты при традиционных (участковая дегазация) и рекомендуемых (предварительная дегазация) схемах дегазации шахтопластов.

7. Разработка принципиальных вариантов технологий комплексного извлечения метана и угля в условиях Ерунаковского месторождения.

8. Разработка алгоритма проектирования и расчета рациональных параметров технологии комплексного извлечения угля и метана.

9. Прогнозная технико-экономическая оценка проектных решений по комплексному извлечению угля и метана.

Идея диссертационной работы: при проектировании предприятий с комплексным извлечением угля и метана параметры технологических схем следует определять по разработанной методике, учитывающей изменчивость параметров фильтрации газа в массиве, обусловленную изменением НДС массива в результате интенсификации газоотдачи.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использован комплексный метод исследований: анализ и обобщение данных, опубликованных в научной и горнотехнической литературе по вопросам извлечения метана из угольного пласта, вмещающего массива и выработанных пространств очистных забоев; анализ структуры газового баланса и объемов выделяющегося газа на выемочном участке по различным источникам метановыделения и газозабора в функции различных параметров; установление рациональных областей использования различных проектных решений на базе: решения задач о НДС массива с использованием численных методов; оценки изменчивости фильтрационных свойств массива в функции параметров его НДС; расчета дебитов скважин в характерных "зонах" массива для определенных временных

моментов «существования» выработанных пространств (геомеханической обстановке во вмещающем отрабатываемый пласт массиве).

Научная новизна диссертационной работы:

Установлена линейная функциональная зависимость изменчивости механических состояний массива при техногенном воздействии на него и газодинамических характеристик углей и пород;

Определены требования к исходным данным для проектирования основных параметров горно-технической системы шахты при комплексном извлечении угля и метана.

Основные защищаемые положения:

1. Существующие технологические схемы по извлечению угля и дегазации, применяемые при высокоинтенсивной отработке пологих пластов, включенных в свиту, являются малоэффективными для промышленной добычи угольного метана, т.к. их применение обеспечивает коэффициент извлечения метана содержащегося в свите в пределах 20-40%, в зависимости от скорости подвигания очистного забоя, при этом 15-20% метана теряется через поверхностную эмиссию или остается в трещинно-пористом коллекторе подработанного массива.

2. При обосновании проектных параметров технологических схем комплексного извлечения расчет дебита газозаборных скважин следует вести поэтапно для характерных зон подработанного массива с учетом параметра проницаемости, зависящего от изменения объёмных деформаций, с пересчетом газодинамических свойств (проницаемости, внутрипластового давления) указанных зон массива на каждом этапе.

3. Выбор способов извлечения угольного метана и обоснование проектных параметров вертикальных и горизонтальных газодобывающих скважин следует вести по разработанному алгоритму, учитывающему изменение проницаемости характерных зон массива в результате его подработки.

Практическая значимость работы

Разработана методика выбора и расчета рациональных параметров горнотехнической системы по комплексному извлечению угля и метана на базе учета взаимовлияния механических и газодинамических процессов в массиве

горных пород.

Предложена инженерная зависимость для расчета проницаемости различных характерных зон надработанной и подработанной толщи, позволяющая обосновать проектные решения при оценке эффективности различных технологических схем извлечения угольного метана.

Определена структура газового баланса углевмещающей толщи; интенсивность газовыделения и эффективность газозабора из различных характерных зон углевмещающего массива в условиях работы высокопроизводительных очистных забоев.

и

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА

1.1 Современное состояние угольной отрасли России и особенности проектирования и отработки угольных пластов Кузбасса

В условиях глобального финансово-экономического кризиса 2008 года, сопровождавшегося глубоким противоречиями в мировой финансовой сфере и существенным спадом мировой экономики, в том числе таких базовых отраслей как металлургия, энергетика, машиностроение и др., существенно снизился спрос на уголь (в том числе коксующийся), а соответственно - снизились объёмы его добычи (переработки и реализации). В течение 2009 г. снижение объемов добычи угля в определенных бассейнах страны составляло более 20 %. Падение спроса на уголь повлекло снижение его рыночной цены, росту неплатежей, что негативно сказалось на состоянии угледобывающих компаний. Падение спроса и рыночных цен на уголь при одновременном дефиците в мировой и отечественной финансово-кредитных системах не только значительно сократило объемы производства, но и во многих случаях привело в кризисное финансовое состояние угольные компании страны. Однако Россия, по-прежнему, остается одним из мировых лидеров по производству угля. В ее недрах сосредоточена треть мировых ресурсов угля (173 млрд. т) и пятая часть разведанных его запасов, а запасы энергетических углей составляют около 80 % от мировых.

Промышленные запасы действующих предприятий составляют почти 19 млрд. т, в том числе коксующихс