Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование параметров циклического гидродинамического воздействия при заблаговременной дегазации угольных пластов

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров циклического гидродинамического воздействия при заблаговременной дегазации угольных пластов"

На правах рукописи

СЕРЕГИН Александр Сергеевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЦИКЛИЧЕСКОГО ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРИ ЗАБЛАГОВРЕМЕННОЙ ДЕГАЗАЦИИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Специальность 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных

пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2013

005061745

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

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Коршунов Геннадий Иванович

Официальные оппоненты:

Сластунов Сергей Викторович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет», кафедра «Инженерная защита окружающей среды», заведующий кафедрой

Ковальский Евгений Ростиславович кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», кафедра разработки месторождений полезных ископаемых, доцент

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Защита диссертации состоится 18 июня 2013 г. в 16 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 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 17 мая 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета

СИДОРОВ С'У Дмитрий Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Заблаговременная дегазация угольных пластов является необходимым условием обеспечения метанобезопасности при интенсивной отработке угольных пластов на современных шахтах.

Увеличение глубины ведения горных работ на угольных шахтах приводит к росту газоносности разрабатываемых пластов. Метан, выделяющийся в горные выработки, является сдерживающим фактором интенсивной угледобычи и опасным производственным фактором. При современных нагрузках на очистные забои высокогазоносных шахт до 33 тыс. т/сут (ш. Талдинская-Западная - 1 ОАО «СУЭК-Кузбасс») возможности средств вентиляции находятся на пределе. Применяемые методы предварительной и текущей дегазации, призванные снизить метаноносность, недостаточно эффективны по причине низкой проницаемости разрабатываемых пластов угля. В настоящее время вопрос метанобезопасности решается за счет предварительной дегазации, но из-за высоких темпов подвигания очистных забоев отсутствует достаточное количество времени на извлечение метана из разрабатываемого угольного пласта. Следствием этого являются частые вспышки и взрывы метана на угольных шахтах. Так, за последние 10 лет на предприятиях угольной промышленности России погибли 465 человек, из них 85% - от вспышек и взрывов метана.

В то же время заблаговременная дегазация угольных пластов не нашла широкого применения на шахтах России из-за длительных сроков извлечения метана и высокой стоимости работ по интенсификации метанопритоков в скважины. Исследованиями в области заблаговременной дегазации угольных пластов занимались ученые: А.Т. Айруни, Ш.У. Ахметбеков, С.К. Баймухаметов, Ю.Ф. Васючков, Г.Г. Каркашадзе, К.С. Коликов, Н.В. Ножкин, Г.М. Презент, JI.A. Пучков, C.B. Сластунов, Г.Н. Фейт, И.А. Швец, М.В. Шмидт, С.А. Ярунин и другие.

Основным способом повышения газовой проницаемости неразгруженных угольных пластов при заблаговременной дегазации является их гидрорасчленение. Технология гидрорасчленения

основана на раскрытии существующих трещин в угольном пласте. Для повышения эффективности гидрорасчленения используются импульсные воздействия на основе горюче-окислительных составов (ГОС) и пороховых генераторов давления (ПГД). Эти способы создают условия для кольматации образуемых трещин в призабойной зоне пласта, которая ограничивает количество циклов воздействия и эффективность обработки угольного пласта.

Кроме того, выполнение технологических операций при гидрорасчленении занимает не более нескольких суток, в то время как на освоение скважин требуется 5-7 лет. При таком резерве времени нет необходимости производить гидрорасчленение за короткий период с использованием дорогостоящих высокопроизводительных насосных агрегатов (типа 4АН-700).

Таким образом, исследования, направленные на повышение эффективности заблаговременной дегазации угольных пластов посредством формирования проницаемых зон с заданными параметрами с помощью циклического гидродинамического воздействия, являются актуальными для современных угольных шахт Кузбасса.

Цель работы. Повышение эффективности заблаговременной дегазации угольных пластов посредством формирования проницаемых зон с заданными параметрами при циклическом гидродинамическом воздействии.

Идея работы. Эффективная заблаговременная дегазация угольных пластов обеспечивается применением циклического гидродинамического воздействия в режимах гидравлического удара на устье скважины и циклического гидрорасчленения.

Основные задачи исследований:

1. Анализ существующих способов дегазации высокогазоносных угольных пластов и опыта создания проницаемых зон в угольных пластах.

2. Разработка способа и определение параметров гидродинамического воздействия на неразгруженный угольный пласт для увеличения его газовой проницаемости на этапе заблаговременной дегазации.

3. Математическое и физическое моделирование

гидродинамического воздействия на неразгруженный угольный пласт.

4. Разработка рекомендаций по применению и оценке эффективности импульсного гидродинамического воздействия на угольные пласты при заблаговременной дегазации шахтных полей Кузбасса.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использованы следующие методы исследований: патентно-информационный обзор; обобщение опубликованных в горнотехнической литературе данных о заблаговременной дегазации угольных пластов; лабораторные исследования физико-механических свойств углей Кузнецкого угольного бассейна; физическое моделирование на эквивалентных материалах; аналитические исследования развития трещин под действием импульсных нагрузок; математическое моделирование на ЭВМ параметров роста трещины при импульсном гидродинамическом воздействии.

Научная новизна:

1. Установлена зависимость размеров зоны обработки угольного пласта от технологических параметров гидродинамического воздействия в режимах гидравлического удара и циклического гидрорасчленения.

2. Определена зависимость количества циклов гидродинамического воздействия на угольный пласт при заблаговременной дегазации от физико-механических свойств обрабатываемого пласта и глубины его залегания.

Положения, выносимые на защиту:

1. Увеличение газовой проницаемости неразгруженного угольного пласта при заблаговременной дегазации достигается прямым циклическим гидроударным воздействием с параметрами, обеспечивающими рост трещин и исключающими процесс кольматации призабойной зоны угольного пласта.

2. Длина наведенных трещин при гидродинамическом воздействии в режиме гидравлического удара на устье скважины должна определяться с учетом количества циклов нагружений,

амплитуды создаваемых давлений, длительности импульсов и физико-механических свойств обрабатываемого пласта.

3. Восстановление метанопритока в дегазационные скважины достигается за счет гидродинамического воздействия на угольный пласт в режиме циклического гидрорасчленения, обеспечивающего дополнительную дегазацию пластов на площади радиусом до 90 м.

Практическая значимость работы:

1. Разработаны основные технологические параметры циклического импульсного воздействия в режиме гидравлического удара на устье скважины, создающего наведенную трещиноватость в угольном пласте, с последующим раскрытием трещин посредством гидрорасчленения.

2. Предложена методика определения параметров циклического импульсного гидродинамического воздействия на неразгруженный угольный пласт в режимах гидравлического удара и циклического гидрорасчленения, обеспечивающего создание газопроницаемых зон.

3.Разработаны рекомендации по применению и оценке эффективности циклического импульсного гидродинамического воздействия на угольные пласты при заблаговременной дегазации шахтных полей.

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций обеспечивается значительным объемом проанализированной и обобщенной исходной информации для аналитических исследований, значительным объемом лабораторных исследований, применением современных методов анализа и обработки экспериментальных данных, удовлетворительной сходимостью с результатами лабораторных и натурных экспериментов.

Апробация работы. Основные положения и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, российских научно-технических конференциях, совещаниях, симпозиумах, выставках, в том числе: научной симпозиуме «Неделя горняка» (г. Москва, 2013 г.); научно-технической конференциии студентов, аспирантов и молодых

ученых «Проблемы недропользования» (г. Санкт-Петербург, 2011 г.); ХЬХП научно-практической конференции в Краковской горно-металлургической академии (Польша, Краков, 2011г.); международной научно-практической конференции «Аэрология и безопасность горных предприятий» (г. Санкт-Петербург, 2012 г.), где научные разработки были отмечены сертификатами и дипломами.

Реализация результатов работы. Результаты работы рекомендованы в проект заблаговременной дегазации пласта «Поленовский» шахты им. С.М. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс» и вошли в отчет о НИР «Разработка рекомендаций по выбору схем и параметров дегазации угольных пластов с учётом геомеханического состояния участка «Шурапский» Кедровско-Крохалёвского каменноугольного месторождения».

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследований, в анализе результатов исследований и выводе научных результатов, разработке способа создания наведенной трещиноватости в призабойной зоне пласта при циклическом воздействии в режиме прямого гидравлического удара, создаваемого на устье скважины, разработке рекомендаций по применению циклического гидродинамического воздействия на шахте им. С.М. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс» и на участке «Шурапский» Кедровско-Крохалёвского каменноугольного месторождения.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 145 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 105 источников, включает 49 рисунков, 21 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава диссертации посвящена обзору мировых и отечественных исследований в области управления газовыделением на шахтах средствами вентиляции и дегазации угольных пластов. Приведен анализ основных особенностей взаимодействия системы «неразгруженный угольный пласт-метан».

Во второй главе приведены аналитические исследования процессов гидродинамического воздействия на неразгруженный угольный пласт в режиме гидравлического удара, представлен алгоритм расчета роста наведенных трещин.

В третьей главе представлены исследования прочностных и деформационных свойств углей пластов «Поленовский» и «Волковский», приведена методика, результаты физического моделирования на эквивалентных материалах и компьютерного моделирования циклического гидродинамического воздействия на угольный пласт.

В четвертой главе представлены рекомендации по применению и оценке эффективности циклического гидродинамического воздействия на неразгруженные угольные пласты.

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

1. Увеличение газовой проницаемости неразгруженного угольного пласта при заблаговременной дегазации достигается прямым циклическим гидроударным воздействием с параметрами, обеспечивающими рост трещин и исключающими процесс кольматации призабойной зоны угольного пласта.

Анализ научных исследований и производственных опытов показал, что основным способом повышения газовой проницаемости угольных пластов при заблаговременной дегазации является гидрорасчленение. В настоящее время, чтобы повысить эффективность гидрорасчленения, применяют импульсное воздействие на основе ГОС и ПГД. Для повышения эффективности заблаговременной дегазации угольного пласта с формированием проницаемых зон с заданными параметрами в Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» с учетом работ Московского государственного горного университета разработан способ циклического импульсного гидродинамического воздействия на угольный пласт в режиме гидравлического удара на устье скважины (рисунок 1). Обработка пласта проводится без применения спускоподъемных работ в скважинах и дорогостоящей

техники. В предлагаемом способе используются устьевая обвязка с пневматическим приводом, насосный агрегат и гидроаккумулятор.

Рисунок 1 - Схема импульсного гидродинамического воздействия на угольный пласт при заблаговременной дегазации на основе гидравлического удара 1 - сливная емкость; 2, 2-0, 2-1, 2-2 - запорные задвижки с пневматическим приводом; 3 - гидроаккумулятор; 4 - насосная станция; 5 - водозабор; 6 - обсадная колонна; 7 - обрабатываемый пласт; /„,.,). — длина труб долива

Принципиальная схема предлагаемого технического решения по обработке угольного пласта предусматривает три режима воздействия: прямой гидравлический удар, обратный гидравлический удар, импульсное гидрорасчленение.

Прямой гидравлический удар создается на устье скважины при подаче жидкости в скважину. Создаваемые переменные напряжения вызывают развитие наведенных трещин вокруг скважины. Регулирование длины создаваемых трещин в этом случае осуществляется за счет изменения перепадов давления и количества циклов нагружения.

Гидроударное воздействие на угольный пласт производится через скважины с обсадной колонной и цементированным затрубным пространством. При этом рекомендуемый способ вскрытия пласта - сплошной кольцевой вырез в колонне, цементе и угле. Заполнение скважины рабочей жидкостью производится до устья. Для создания гидроудара необходимо резкое изменение скорости движения потока рабочей жидкости.

Управление пневматическим устьевым оборудованием осуществляется через электронный блок управления (ЭБУ), который синхронизирует работу устьевого оборудования. При накоплении достаточного количества рабочей жидкости в гидроаккумуляторе производится перевод устьевого оборудования в режим «подача», а затем открывается задвижка 2-1.

Под давлением газа в гидроаккумуляторе рабочая жидкость приходит в движение по направлению к скважине, заполненной водой. При их столкновении происходит резкое изменение скорости потока, приводящее к возникновению гидравлического удара. На устье скважины формируются два фронта повышенного давления, один из которых движется к забою скважины, другой - к гидроаккумулятору. Между фронтами волн находится зона повышенного давления.

Согласно проф. Н.Е. Жуковскому, скорость распространения фронта волны возмущения (сжатия и разряжения) определяется выражением:

1

с= I , . О)

2 рг

8Е

где р ж- плотность жидкости, кг/м3; г - внутренний диаметр трубы, м; 8 - толщина стенок трубы, м; Е- модуль упругости материала трубы, Па; ¡3 - сжимаемость жидкости, Па"1.

Напряжения в призабойной зоне обрабатываемого угольного пласта, создаваемые импульсами давления от гидравлических ударов, определяются с учетом коэффициента преломления ударной волны к„р и гидростатического давления столба жидкости Рст:

а = кпрАР + Рст, (2)

где АР- перепад давлений, создаваемый гидроударным воздействием, Па;

К = , (3)

" РуСу + Р.*СЖ

Ру - плотность угля, кг/м3; Су - скорость распространения продольной волны в угле, м/с; Сж- скорость распространения продольной волны жидкости, м/с.

Время действия повышенного давления на призабойную зону пласта определяется отставанием фронта разрежения от фронта повышенного давления с использованием следующего выражения:

где 1т д - длина труб перед устьем скважины, м.

В диссертационной работе в качестве примера приведен расчет основных параметров циклического гидродинамического воздействия в режиме гидравлического удара для скважины глубиной 500 м и диаметром 0,168 м. Как показали расчеты, скорость распространения фронта волны возмущения в скважине составляет 1375 м/с. При скорости потока в трубе 7-15 м/с создаваемые напряжения в угольном пласте составляют 18-26 МПа, при времени действия импульса 0,02 с.

Циклическое импульсное гидродинамическое воздействие предполагает значительное число повторений циклов нагружения массива. При циклическом нагружении угля в нем накапливаются и развиваются трещины. Увеличение размеров и количества трещин приводит к снижению прочности угля.

Для уменьшения влияния кольматации на проницаемость призабойной зоны обрабатываемого пласта, возникающей при переизмельчении угля, необходимо, чтобы напряжения были ниже паспорта прочности угля, но выше предела упругости. Таким образом, увеличение размеров трещин обусловливается развитием наведенных трещин под действием возникающих напряжений в процессе многократного воздействия жидкости на угольный пласт.

Лабораторные исследования процессов гидродинамического воздействия на неразгруженный угольный пласт проводились в лаборатории физико-механических свойств горных пород и лаборатории моделирования Научного центра геомеханики и проблем горного производства Национального минерально-сырьевого университета "Горный". Экспресс-методом были

определены основные физико-механические свойства образцов угля пластов Поленовского и Волковского. На основе экспериментальных и аналитических исследований определен диапазон напряжений возникающих в угольном пласте (18-25 МПа) при котором обеспечивается рост наведенных трещин при гидравлическом воздействии.

Исследование процесса развития трещины при импульсном воздействии проводилось с помощью моделирования на эквивалентных материалах. Для исследований были подобраны материалы, обладающие гидрофобными свойствами. В качестве основного по массе компонента использовался кварцевый песок, в качестве связующего эпоксидная смола ЭД-20 в паре с отвердителем. Для придания гидрофобных свойств использовался солидол.

Для проведения исследований был спроектирован и изготовлен стенд, воспроизводящий нагрузки вышележащей толщи и позволяющий регулировать время воздействия импульса и производить визуальный контроль над процессом развития трещин (рисунок 2).

Рисунок 2 - Схема стенда импульсного воздействия на ЭМ 1 - подающая трубка, 2 - органическое стекло, 3 - образец из ЭМ, 4,5 - ключи подачи и сброса, 6 - асинхронный двигатель, 7 - компрессор

Лабораторными экспериментами было установлено, что период накопления повреждений в угольном пласте при напряжениях 25 МПа составляет 1000 циклов, при амплитуде напряжений 19,5 МПа - 3000 циклов, после чего начинается рост трещины. При напряжениях менее 18 МПа и количестве циклов

6000 рост трещин не наблюдается. Рост трещины определялся по уменьшению уровня жидкости в подающей трубке 1 (рисунок 2).

Исследования по определению размеров наведенных трещин, образующихся при гидродинамическом воздействии в режиме гидроудара рассматриваются во втором защищаемом положении.

2. Длина наведенных трещин при гидродинамическом воздействии в режиме гидравлического удара на устье скважины должна определяться с учетом количества циклов нагружений, амплитуды создаваемых давлений, длительности импульсов и физико-механических свойств обрабатываемого пласта.

Угольный пласт в естественном состоянии является неоднородной средой, содержащей большое количество дефектов, таких как поры и трещины. Неоднородность строения угля и создаваемые циклическим гидродинамическим воздействием напряжения способствуют развитию наведенных трещин, разрушающих уголь. Согласно экспериментальным данным, приведенным в работах проф. A.B. Михалюка, скорости роста трещины отек и движения рабочей жидкости в трещине иж при

гидравлическом воздействии совпадают итек ~ и ж..

Для оценки развития наведенных трещин при импульсном гидродинамическом воздействии была усовершенствована модель роста трещин, предложенная проф. В.Н. Ионовым. Условием роста трещины является превышение энергии гидроимпульса над энергией упругого деформирования. Имеющаяся величина избыточной энергии переходит в кинетическую энергию движения частиц, способствующую росту трещины. Кроме конечных размеров трещины, научный и практический интерес представляет процесс роста трещины и определение ее текущих параметров. Определение параметров распространения трещины в угольном пласте при циклическом гидродинамическом воздействии в режиме гидравлического удара может осуществлена по предложенной ниже методике.

Приращение длины трещины определяется:

А/ =-^- , (5)

0,38 • Су - итек

где AI - приращение длины трещины за один цикл, м; итек-

текущая скорость роста трещины, м/с; / - текущая длина трещины, м.

Скорость развития трещины определяется скоростью движения в ней жидкости и зависит от ее длины. В общем случае скорость движения жидкости в трещине определяется выражением:

omJ,t)=e-2a]p(l,tya,dt, (6)

о

где P(l,t) - давление жидкости в трещине Па; I - текущая длина трещины, м; t - длительность импульса, с; a = 6v/w2', v-кинематическая вязкость жидкости, м2/с; w- раскрытие трещины, м. После дифференцирования по / и интегрирования по t можно найти скорость роста трещины.

Определив текущую скорость роста трещины по выражению (6) и подставив его в формулу (5) далее рассчитываем величину приращения длины трещины на каждом цикле нагружения. После каждого цикла нагружения полученное приращение суммируется с текущей длиной трещины. С увеличением длины трещины постепенно уменьшается давление и скорость ее роста. Полученные значения достигают 1,5 м/с, что соответствует экспериментальным данным, полученным проф. A.B. Михалюком и др.

Полученная зависимость длины трещины от количества циклов воздействия представлена на рисунке 3, а. Рост наведенных трещин происходит постепенно, поскольку необходимо накопление повреждений в обрабатываемой зоне.

В результате аналитических исследований влияния параметров циклического гидродинамического воздействия в режиме гидравлического удара на протяженность наведенных трещин установлено, что эффективное увеличение проницаемости наблюдается в зоне до 15 м от скважины при количестве циклов воздействия до 500.

Увеличение приращения длины трещины Д/ имеет место до 300 циклов воздействия, затем величина приращения уменьшается (рисунок 3, б). При данных условиях создания гидравлического удара время действия перепада давления зависит от длины труб долива.

Результаты теоретических исследований характера роста и размеров трещин были подтверждены физическим моделированием. Анализ результатов моделирования показал, что рост трещин при гидравлическом ударе приводит к увеличению проницаемости пласта, что способствует последующей эффективной гидродинамической обработке в режиме гидрорасчленения и позволяет увеличить расстояние между скважинами.

КОЛИЧиТВО ЦИКЛОВ, ЬД колпчьсп» циклов. ьд

Рисунок 3 - а) Расчетная зависимость между длиной трещины и количеством циклов нагружений при циклическом гидродинамическом воздействии в режиме гидравлического удара, б) Расчетная зависимость между приращением длины трещины и количеством циклов нагружения

Таким образом, предложенная методика расчета позволяет определять размеры зон газовой проницаемости, создаваемых гидродинамическим воздействием с учетом количества циклов нагружения, амплитуды воздействия, времени действия импульса, физико-механических свойств пласта и рабочей жидкости.

Для восстановления газопроницаемости угольных пластов в период, когда происходит снижение выхода метана после основного воздействия — гидрорасчленения, в диссертационной работе предлагается использовать способ циклического гидрорасчленения.

3. Восстановление метанопритока в дегазационные скважины достигается за счет гидродинамического воздействия на угольный пласт в режиме циклического гидрорасчленения,

15

обеспечивающего дополнительную дегазацию пластов на площади радиусом до 90 м.

Основным способом воздействия на угольный пласт при заблаговременной дегазации является гидрорасчленение. Согласно экспериментальным данным проф. Н.В. Ножкина, гидрорасчленение возможно при значении давления на забое скважины Рз^О, 12Н, где Н - глубина залегания угольного пласта, м. Для поддержания режима гидрорасчленения при гидравлическом воздействии на угольный пласт требуется темп закачки (расход) жидкости более 0,01 м3/с.

Анализ опыта промышленных экспериментов по гидравлической обработке угольных пластов в режиме гидрорасчленения показал, что на конечном этапе расход жидкости может достигать 0,1 м3/с при давлении на устье скважины до 20 МПа, что позволяет обеспечить зону обработки пласта радиусом 100-150 м.

При этом после гидрорасчленения происходит снижение выхода метана, что обуславливается разрушением стенок системы трещин, вдоль которых перемещался газ. Для повышения газопроницаемости предлагается восстановить основную систему трещин с помощью гидродинамического воздействия в режиме циклического гидрорасчленения (рисунок 1), что не требует затрат средств на доставку и установку оборудования для гидрорасчленения. Режим циклического гидрорасчленения обеспечивается за счет работы сжатого газа в гидроаккумуляторе (рисунок 1), в который предварительно закачивается газ с давлением Ру. Насос 4 закачивает рабочую жидкость из источника 5, при этом увеличивается давление в гидроаккумуляторе. При достижении необходимого давления открываются задвижки с пневматическим приводом. Жидкость, находящаяся в гидроаккумуляторе, под действием давления вытесняется в скважину.

Давление газа в гидроаккумуляторе, которое создает движение жидкости с необходимым расходом, определяется согласно классическим представлениям об истечении жидкости из резервуара:

(с/ъ)2 Р (7)

2 ср1 у

где Ро - давление в гидроаккумуляторе, Па; /^-давление жидкости на устье скважины, Па; р - плотность жидкости, кг/м3; д - темп закачки жидкости, м3/с; 51 - площадь поперечного сечения обсадной колонны, м2; <р- коэффициент скорости истечения жидкости, ед.

Предлагаемый режим обеспечивается циклической работой гидроаккумулятора. Оценка размеров зоны обработки пласта при циклическом гидрорасчленении проводилась при каждом цикле внедрения жидкости в пласт, при этом общий объем гидроаккумулятора принимался равным 20 м3, объем закачиваемой жидкости - 2 м3. Радиус зоны обработки определяется из следующего выражения:

ц =_^ - (8)

1.7ткы ткАР

где Л — радиус зоны обработки, м; И — мощность пласта, м; п — среднее число трещин, ед; т - эффективная пористость пласта, к -проницаемость пласта, Д; АР - разность давлений на стенке трещины и пластового давления, Па; ц - динамическая вязкость жидкости, Па с; / - время воздействия, с.

Существенным фактором, влияющим на процесс гидрорасчленения, является фильтрация жидкости через стенки трещины. Потери жидкости на фильтрацию имеют место при выполнении условия АР > 0.

С ростом зоны обработки увеличение потерь жидкости £/, определяется следующим выражением:

(9

41

где Ъ - среднее раскрытие трещины гидрорасчленения, м

На рисунке 4 представлена зависимость радиуса зоны обработки пласта от количества циклов внедрения жидкости в пласт с учетом ее потерь на фильтрацию. Время обработки и потери жидкости учитывались при каждом цикле.

Из анализа полученных результатов следует, что использование предложенной схемы гидродинамического воздействия в режиме циклического гидрорасчленения при

заблаговременной дегазации угольных пластов позволяет восстановить

газопроницаемую сеть трещин радиусом до 90 м. Эффект достигается за счет восстановления коллекторских свойств существующих

трещин при циклическом внедрении жидкости в режиме гидрорасчленения.

Таким образом, применение циклического гидрорасчленения позволяет восстановить газовую проницаемость сети трещин при снижении выхода метана из неразгруженного угольного пласта после гидрообработки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-

квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи - повышение проницаемости угольных пластов на основе циклического воздействия в режиме гидравлического удара и импульсного гидрорасчленения, позволяющих заблаговременно обеспечить необходимый уровень метанобезопасности при интенсивной угледобыче на высокопроизводительных шахтах.

Основные научные результаты и практические рекомендации заключаются в следующем:

1. Применяемые способы повышения газовой проницаемости при заблаговременной дегазации на угольных бассейнах России не обеспечивают ожидаемых дебитов метана и равномерности обработки, кроме того, требуют значительных материально-трудовых и энергетических затрат.

2.Разработан способ и определены основные технологические параметры гидродинамического воздействия на неразгруженный угольный пласт в режиме гидроудара,

Рисунок 4 - Зависимость радиуса зоны обработки от количества циклов циклического гидрорасчленения

позволяющие повысить равномерность обработки пласта для основного воздействия - гидрорасчленения.

3. Теоретически обоснован механизм воздействия на неразгруженный угольный пласт в режиме гидравлического удара при заблаговременной дегазации угольных пластов, а также определена последовательность технологических операций, обеспечивающих рост наведенных трещин.

4. Определен диапазон напряжений (18-25 МПа) для нагружения обрабатываемого пласта и обеспечения роста наведенных трещин при гидравлическом воздействии в режиме гидравлического удара на основе экспериментальных и аналитических исследований для условий Кузбасса.

5. Применение циклического гидродинамического воздействия в режиме прямого гидроудара обеспечивает повышение газовой проницаемости прискважинной зоны пласта. Эффект достигается за счет многократных повторений циклов воздействия, приводящих к снижению прочности и увеличению длины наведенных трещин. Рост проницаемости прискважинной зоны пласта способствует последующей эффективной гидродинамической обработке в режиме гидрорасчленения, что позволяет увеличить расстояние между скважинами и равномерность обработки.

6. Разработана методика определения параметров гидродинамического воздействия на неразгруженный угольный пласт при заблаговременной дегазации в режимах гидравлического удара на устье скважины и импульсного гидрорасчленения.

7. Физическим моделированием на моделях из эквивалентных материалов, обладающих гидрофобными свойствами, установлено, что период накопления повреждений в угольном пласте при напряжениях 25 МПа составляет 1000 циклов, при амплитуде напряжений 19,5 МПа - 3000 циклов, после чего начинается рост трещины. При напряжениях менее 18 МПа и количестве циклов 6000 рост трещин не наблюдается.

8. Гидродинамическое воздействие в режиме циклического гидрорасчленения позволяет восстанавливать газопроницаемость угольных пластов в радиусе до 90 м в период, когда происходит снижение выхода метана после основного воздействия гидрорасчленения.

9. Разработаны рекомендации по применению и оценке эффективности импульсного гидродинамического воздействия на угольные пласты при заблаговременной дегазации шахтных полей Кузбасса.

10. Экономический эффект от внедрения предлагаемых способов воздействия выше на 10-15 % по сравнению с традиционным способом заблаговременной дегазации угольных пластов и определяется повышением нагрузки на очистной забой, прибылью от утилизации и снижения выбросов метана в атмосферу.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Серегин A.C. Аналитическая модель роста трещин при импульсном гидродинамическом воздействии на угольный пласт/ Г.И. Коршунов, Е.П. Ютяев, A.C. Серегин, П.И. Афанасьев, И.В. Курта // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2013. №4. С. 232-237.

2. Серегин A.C. Обоснование технологических параметров циклического гидродинамического воздействия в режиме гидроудара при заблаговременной дегазации угольных пластов / П.И. Афанасьев, Е.П. Ютяев, A.C. Серегин, А.Х. Ерзин // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2013. №4. С. 237-247.

3.Серегин A.C. Заблаговременная дегазация угольных пластов с использованием импульсного гидродинамического воздействия в режиме гидрорасчленения / Г.И. Коршунов, Е.П. Ютяев, A.C. Серегин, П.И. Афанасьев, И.В. Курта // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2013. №4. С. 225-232.

4.Серегин A.C. Увеличение газовой проницаемости угля путем импульсно-волнового воздействия через скважины / Г.И. Коршунов, A.C. Серегин, A.B. Шипулин //Газовая промышленность. 2012. №672. С. 46-47.

5.Серегин A.C. Создание блочно-трещиноватой структуры в угольном пласте при гидродинамическом воздействии с помощью импульсно-волнового воздействия / Г.И. Коршунов, А.И. Пальцев, A.C. Серегин, A.B. Шипулин // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2012. №4. С.109-113.

РИЦ Горного университета. 15.05.2013. 3.266. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Серегин, Александр Сергеевич, Санкт-Петербург

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

СЕРЕГИН Александр Сергеевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЦИКЛИЧЕСКОГО ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРИ ЗАБЛАГОВРЕМЕННОЙ ДЕГАЗАЦИИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Специальность 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ -

доктор технических наук, профессор Г.И. Коршунов

Санкт-Петербург - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................................................. 4

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕМ НА УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ................................................................................ 9

1.1 Анализ состояния метанобезопасности угольных шахт России......... 9

1.2 Особенности взаимодействия системы «неразгруженный угольный пласт - метан»........................................................................... 16

1.3 Управление газовыделением высокопроизводительных шахт средствами вентиляции.................................................................................. 23

1.4 Анализ существующих методов и средств дегазации угольных 27 пластов...................................................................................

1.5 Оценка эффективности способов создания искусственной

трещиноватости в угольных пластах............................................. 46

ГЛАВА 2 АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА НЕРАЗГРУЖЕННЫЙ УГОЛЬНЫЙ ПЛАСТ.................................... 58

2.1 Принципиальная схема импульсного гидродинамического воздействия на угольный пласт..................................................... 58

2.2 Механизм роста трещин в угольном пласте при гидродинамическом воздействии.............................................................................. 63

2.3 Обеспечение режима гидрорасчленения при циклическом гидродинамическом воздействии на угольный пласт при

заблаговременной дегазации......................................................... 69

ГЛАВА 3 ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ НАГРУЖЕНИЯ УГЛЕЙ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ

ГИДРОДИНАМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ................................... 79

3.1 Методика исследования прочностных и деформационных свойств образцов угля пластов «Поленовский» и «Волковский».............................. 79

3.2 Определение режимов нагружения угольного пласта при гидродинамическом воздействии в режиме гидравлического удара........ 95

3.3 Исследования циклического гидродинамического воздействия в режиме гидравлического удара на моделях из эквивалентных

материалов................................................................................ 97

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПРИМЕНЕНИЮ И ОЦЕНКЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЦИКЛИЧЕСКОГО ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА НЕРАЗГРУЖЕННЫЕ УГОЛЬНЫЕ ПЛАСТЫ.................................................................................... 107

4.1 Разработка основных технологических решений для условий шахты

им. С.М. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс»........................................... 107

4.2 Разработка рекомендаций по основным техническим решениям заблаговременной дегазации пласта Волковский на участке Шурапский Кедровско-Крохалевского каменноугольного месторождения................ 120

4.3 Оценка эффективности гидродинамического воздействия на

высокогазоносные угольные пласты..............................................................................................128

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................................................................132

Список литературы......................................................................................................................................134

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Заблаговременная дегазация угольных пластов является необходимым условием обеспечения метанобезопасности при интенсивной отработке угольных пластов на современных шахтах.

Увеличение глубины ведения горных работ на угольных шахтах приводит к росту газоносности разрабатываемых пластов. Метан, выделяющийся в горные выработки, является сдерживающим фактором интенсивной угледобычи и опасным производственным фактором. При современных нагрузках на очистные забои высокогазоносных шахт до 27 тыс. т/сут возможности средств вентиляции находятся на пределе. Применяемые методы предварительной и текущей дегазации, призванные снизить метаноносность, недостаточно эффективны по причине низкой проницаемости разрабатываемых пластов угля. В настоящее время вопрос метанобезопасности решается за счет предварительной дегазации, но из-за высоких темпов подвигания очистных забоев отсутствует достаточное количество времени на извлечение метана из разрабатываемого угольного пласта. Следствием этого являются частые вспышки и взрывы метана на угольных шахтах. Так, за последние 10 лет на предприятиях угольной промышленности России погибли 465 человек, из них 85% - от вспышек и взрывов метана.

В то же время заблаговременная дегазация угольных пластов не нашла широкого применения на шахтах России из-за длительных сроков извлечения метана и высокой стоимости работ по интенсификации метанопритоков в скважины. Исследованиями в области заблаговременной дегазации угольных пластов занимались ученые: А.Т. Айруни, Ш.У. Ахметбеков, С.К. Баймухаметов, Ю.Ф. Васючков, Г.Г. Каркашадзе, К.С. Коликов, Н.В. Ножкин, Г.М. Презент, JI.A. Пучков, C.B. Сластунов, Г.Н. Фейт, И.А. Швец, М.В. Шмидт, С.А. Ярунин и другие.

Основным способом повышения газовой проницаемости угольных пластов при заблаговременной дегазации является их гидрорасчленение. Технология гидрорасчленения основана на раскрытии существующих трещин в угольном пласте. Для повышения эффективности гидрорасчленения используются импульсные воздействия на основе горюче-окислительных составов (ГОС) и пороховых генераторов давления (ПГД). Эти способы создают условия для кольматации образуемых трещин в призабойной зоне пласта, которая ограничивает количество циклов воздействия и эффективность обработки угольного пласта.

Кроме того, выполнение технологических операций при гидрорасчленении занимает не более нескольких суток, в то время как на освоение скважин требуется 5-7 лет. При таком резерве времени нет необходимости производить гидрорасчленение за короткий период с использованием дорогостоящих высокопроизводительных насосных агрегатов (типа 4АН-700). |

Таким образом, исследования, направленные на повышение эффективности заблаговременной дегазации угольных пластов посредством формирования проницаемых зон с заданными параметрами с помощью циклического гидродинамического воздействия, являются актуальными для современных угольных шахт Кузбасса.

Цель работы. Повышение эффективности заблаговременной дегазации угольных пластов посредством формирования проницаемых зон с заданными параметрами при циклическом гидродинамическом воздействии.

Идея работы. Эффективная заблаговременная дегазация угольных пластов обеспечивается применением циклического гидродинамического воздействия в режимах гидравлического удара на устье скважины и циклического гидрорасчленения.

Основные задачи исследований:

1. Анализ существующих способов дегазации высокогазоносных угольных пластов и опыта создания проницаемых зон в угольных пластах.

2. Определение параметров гидродинамического воздействия на неразгруженный угольный пласт для увеличения его газовой проницаемости на этапе заблаговременной дегазации.

3. Математическое и физическое моделирование гидродинамического воздействия на неразгруженный угольный пласт.

4. Разработка рекомендаций по применению и оценке эффективности импульсного гидродинамического воздействия на угольные пласты при заблаговременной дегазации шахтных полей Кузбасса.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использованы следующие методы исследований: патентно-информационный обзор; обобщение опубликованных в горно-технической литературе данных о заблаговременной дегазации угольных пластов; лабораторные исследования физико-механических свойств углей Кузнецкого угольного бассейна; физическое моделирование на эквивалентных материалах; аналитические исследования развития трещин под действием импульсных нагрузок; математическое моделирование на ЭВМ параметров роста трещины при импульсном гидродинамическом воздействии.

Научная новизна:

1. Установлена зависимость размеров зоны обработки угольного пласта от технологических параметров гидродинамического воздействия в режимах гидравлического удара и циклического гидрорасчленения.

2. Определена зависимость количества циклов гидродинамического воздействия на угольный пласт при заблаговременной дегазации от физико-механических свойств обрабатываемого пласта и глубины его залегания.

Основные защищаемые положения:

1. Увеличение газовой проницаемости неразгруженного угольного пласта при заблаговременной дегазации достигается прямым циклическим гидроударным воздействием с параметрами, обеспечивающими рост трещин и исключающими процесс кольматации призабойной зоны угольного пласта.

2. Длина наведенных трещин при гидродинамическом воздействии в режиме гидравлического удара на устье скважины должна определяться количеством циклов нагружений, амплитудой создаваемых давлений, длительностью импульсов и физико-механическими свойствами обрабатываемого пласта.

3. Интенсификация метанопритоков в дегазационные скважины достигается за счет гидродинамического воздействия на угольный пласт в режиме циклического гидрорасчленения, обеспечивающего дополнительную дегазацию пластов на площади радиусом до 90 м.

Практическая значимость работы:

1. Определены основные технологические параметры циклического импульсного воздействия в режиме гидравлического удара на устье скважины, создающего наведенную трещиноватость в угольном пласте, с последующим раскрытием трещин посредством гидрорасчленения.

2. Предложена методика определения параметров циклического импульсного гидродинамического воздействия на неразгруженный угольный пласт в режимах гидравлического удара и циклического гидрорасчленения, обеспечивающего создание газопроницаемых зон.

3. Разработаны рекомендации по применению и оценке эффективности циклического импульсного гидродинамического воздействия на угольные пласты при заблаговременной дегазации шахтных полей.

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций обеспечивается значительным объемом проанализированной и обобщенной исходной информации для аналитических исследований, значительным объемом лабораторных исследований, применением современных методов анализа и обработки экспериментальных данных, удовлетворительной сходимостью с результатами лабораторных и натурных экспериментов.

Апробация работы. Основные положения и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных,

российских научно-технических конференциях, совещаниях, симпозиумах, выставках, в том числе: научной симпозиуме «Неделя горняка» (г. Москва, 2013 г.); научно-технической конференциии студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы недропользования» (г. Санкт-Петербург, 2011 г.); ХЬХП научно-практической конференции в Краковской горнометаллургической академии (Польша, Краков, 2011 г.); международной научно-практической конференции «Аэрология и безопасность горных предприятий» (г. Санкт-Петербург, 2012 г.), где научные разработки были отмечены сертификатами и дипломами.

Реализация результатов работы. Результаты работы вошли составной частью в проект заблаговременной дегазации пласта «Поленовский» шахты им. С.М. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс» и вошли в отчет о НИР «Разработка рекомендаций по выбору схем и параметров дегазации угольных пластов с учётом геомеханического состояния участка «Шурапский» Кедровско-Крохалёвского каменноугольного месторождения».

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследований, в анализе результатов исследований и выводе научных результатов, разработке способа создания наведенной трещиноватости в призабойной зоне пласта при циклическом воздействии в режиме прямого гидравлического удара, создаваемого на устье скважины, разработке рекомендаций по применению циклического гидродинамического воздействия на шахте им. С.М. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс» и на участке «Шурапский» Кедровско-Крохалёвского каменноугольного месторождения.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 5 научных работ в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 145 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 105 источников, включает 49 рисунков, 21 таблицу.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕМ НА УГОЛЬНЫХ

ШАХТАХ

1.1 Анализ состояния метанобезопасности угольных шахт России

В России, как и в других ведущих угледобывающих странах, наблюдается тенденция ухудшения горно-геологических условий разработки угольных месторождений. В настоящее время среднемесячные нагрузки на очистной забой шахты могут достигать 27 тыс. т/сут (ш. «Талдинская-Западная 1»). Постоянное увеличение глубины горных работ (10-15 м/год), приводит к повышению выделения рудничных газов (метан, углекислый газ, азот и др.), температуры горных пород, горного давления, росту вероятности динамических явлений, снижению устойчивости горных пород и т.д. Это предопределяет необходимость постоянного совершенствования техники и технологии добычи угля, безопасности ведения горных работ.

Общие тенденции развития технологии подземной угледобычи на шахтах России в целом соответствуют мировым:

- внедрение высокопроизводительного, надежного очистного и проходческого оборудования, обеспечивающего максимальную концентрацию горных работ в пределах одного пласта и переход к структуре «шахта-лава»;

- переход на многоштрековые схемы подготовки выемочных участков, позволяющие полностью использовать возможности современного высокопроизводительного оборудования, применять анкерную крепь в качестве основного способа крепления выработок, подавать на выемочные участки необходимое количество воздуха;

- проведение выработок прямоугольного сечения с анкерным креплением, отказ от поддержания выемочных выработок на всю длину за лавой на границе с выработанным пространством [33].

Вместе с тем, реализация указанных решений, обеспечивающая высокие технико-экономические показатели и безопасность ведения работ на шахтах с благоприятными горно-геологическими условиями, связана с серьезными проблемами при отработке высокогазоносных, склонных к динамическим явлениям угольных пластов.

Постоянное совершенствование технологий добычи угля подземным способом позволило установить устойчивую тенденцию снижения количества травм. Это подтверждается обобщенными статистическими данными по угольным предприятиям Кузбасса, начиная с 1940 г. (рисунок 1.1) [4].

„ Количество травм со

Оощее количество травм

смертельным исходом

35000 --------500

450

30000

400

25000 -г—п-г—г--м - 350

20000 ; 7« , V "

' " 250

I П ГТП М ML

15000 —і j іл г"ч ж— , ^— х \ ^ 2оо

10000 ~т ГТЯ-От-с-»1 ■■'-І.--Ц-Г 150

5000

0 И И II II И II II II І і И II II II II II И И И И II И II ГП 0

сг_>-——иэих:}-—счгггтихсм—о^^ихг^-тсгхз—с^гн^ігхпг-«^

СТІСПСТХЛ спсгіХслсг; стхтэспсл стхтхтхт) СПОХТХЗХ7) охяохл С7Х7)С§Х71 слстхз ХУ; охтїазоїоїоііоіспо) охлохгі ахтїахітхт) сосгїтхтї слохтїсп ооосэё ос^йсз

ЩИ Оби+Л травматизм О Оби+іі травматизм в среднем за 5 лет

-*-Смертел>мый травматизм • Смертел>«>ій травматизм в среднем за 5 лет

Рисунок 1.1 - Динамика травматизма в угольной промышленности Кузбасса

за 1940-2008 гг. [4]

При дальнейшем повышении уровня концентрации горных работ, интенсификации процессов добычи угля в очистных забоях, обеспечение эффективного управления газовыделением на выемочных участках является одним из главных условий достижения высоких технико-экономических показателей и безопасности горных работ.

Причиной большинства несчастных случаев со смертельным исходом являются аварии, вызванные взрывами метана и угольной пыли. За период с 1991 по 2010 гг. наугольных шахтах России было зафиксировано 193 взрыва метана и угольной пыли. В результате этих взрывов пострадало 1509 человек, в том числе 744 человека получили смертельные травмы. Аварийные ситуации, связанные с взрывами (вспышками) метана (угольной пыли) за рассматриваемый период происходили на 72 шахтах (60% от общего количества шахт России), из них на 36 шахтах произошло 2 и более взрыва.

Наибольшее количество взрывов произошло на шахтах Кузбасса (рисунок 1.2), в результате которых пострадало 1222 человека, в том числе 534 получили травмы, несовместимые с жизнью. При этом 158 взрывов произошли на 49 шахтах, отнесённых к сверхкатегорийным и к вы�