способ дегазации неразгруженных пластов в подземных условиях шахт

Формула изобретения

Способ дегазации неразгруженных угольных пластов, включающий вскрытие дегазируемых участков угольных пластов скважинами при всех видах нагнетания воды в пласты с последующим выделением из них метана, отличающийся тем, что по пласту бурят скважины таким образом, чтобы они пересекали максимальное количество природных макротрещин, микротрещин и нанотрещин как по всей длине, так и по мощности пласта, при этом осуществляют отвод образовавшейся в процессе бурения пульпы самотеком в действующие выработки под углом не менее 2-3°, для исключения избыточного давления воды в скважинах и предотвращения ее проникновения в пласт, и образования сложных новых молекул, с увеличением их объемов, и содержащихся в угле элементов и их окислов, как физическим, так и химическим взаимодействием, их кристаллизацией и заполнения ими макротрещин, микротрещин, нанотрещин, приводящих к прекращению фильтрации метана в скважины, затем скважины, из которых выделяется метан, подключают в подземных условиях шахт к дегазационной сети труб с последующей выдачей его на поверхность к вакуумной станции и далее к потребителю.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при дегазации неразгруженных угольньих пластов месторождений, которые могут быть отработаны в дальнейшем традиционными способами, месторождений, которые являются источником метана, с целью его квитирования и дальнейшего потребления, прежде всего, в химической промышленности для получения традиционных материалов и веществ, а также наноматериалов, рыночная потребность в которых резко возрастает. Известен способ дегазации угольных пластов, который включает вскрытие угольных пластов скважинами, обработку угольных пластов, формирование в районе скважин искусственной трещиноватости с повышением проницаемости пласта и дегазацию угольного пласта (Л.А. Пучков. Реальность промысловой добычи метана из неразгруженных угольных пластов, МГГА И., 1966, стр.7-13).

В 1963 году в шахтоуправлении «Краснодонецкое» комбината «Ростовуголь», разрабатывающем высокогазоносный пласт M₈ ¹ мощностью 0,95-1,65 м с относительной газообильностью 106,5 м³/т.с.д. с двумя высокогазоносными спутниками М₉ ^{0 3} мощностью 0,45-0,58 м на расстоянии 47-50 м от рабочего пласта при бурении двух разведочных скважин по рабочему пласту на воду, скопившуюся в горных выработках, было замечено обильное газовыделение из них: одна из скважин была направлена по восстанию пласта, а вторая близко к простиранию. Особенно интенсивно газ выделялся из последней скважины, расположенной поперек кливажным трещинам пласта.

Чтобы исследовать возможности применения замеченного явления для дегазации рабочего пласта и использовать его на практике из разрезных печей подготавливаемых лав было пробурено по простиранию 4-8 скважин глубиной до 100 м с расстоянием между ними 15-20 м и во избежание затопления скважин водой при бурении и предотвращения закачивания воды в пласт направление их составляло с подъемом к линии простирания пласта не менее 2-3°.

Для контроля интенсивности газоотдачи из опережающих штреков № 317, 318 действующего горизонта были пробурены две скважины по восстанию пласта, вдоль кливажкых трещин (рис.1).

Количество выделяемого газа из скважин в том и другом случаях определялось при свободном истечении газосчетчиком ГКФ.

Анализ работы скважины показал, что из скважин, пробуренных по простиранию, поперек кливажным трещинам пласта, газа, выделяется в десятки раз больше, чем из скважин, пробуренных по восстанию, вдоль кливажкых трещин.

Следует отметить, что последние в зоне повышенного опорного горного давления при обработке лав начинают снова отдавать газ, но их дебит возрастает незначительно и практического значения не имеет.

Дегазация опытных участков с лавами проводилась в течение года, пока из скважин не прекращалось поступление метана.

Обработка данных результатов работы скважин за период выделения из них метана и вентиляционных рапортов при эксплуатации лав в зоне дегазация и после показывает, что абсолютная газообильность рабочего пласта уменьшилась на 44-50%. Снижение абсолютного газовыделения позволило увеличить нагрузку на лавы, улучшить технико-экономические показатели и обеспечить безопасные условия работ.

Руководствуясь достигнутым положительным опытом в шахтоуправлении «Краснодонецкое» была принята схема бурения скважин для дегазации рабочего пласта (см.рис.2) и рекомендовано применять ее на других газообильных шахтах. См. статью М.В.Попова, главного инженера шахтоуправления «Краснодонецкое», В.К. Болдырева, участкового горнотехнического инспектора. Н.И. Одинцова, начальника вентиляции, Б.М. Дрюкова, начальника дегазации, А.И.Белова, главного экономиста «дегазация разрабатываемого пласта», Жур. «Безопасность труда в промышленности», 4, 1969.

В тот период времени у профессиональных специалистов горного дела господствовала большая ответственность и добросовестность, в сочетании с полной отдачей энергии и времени творческому труду. Так что в достоверности полученных результатов дегазации неразгруженного пласта сомневаться ни в коем случае нельзя.

К сожалению, буровые станки шестидесятых годов прошлого века не обладали производительным и направленным бурением, были громоздкими, при забуривании штанги упирались то в кровлю, то в почву пласта, направить их по пласту угля приходилось со второго или третьего раза, при этом скважину пробурить удавалось на длину не более 100 м. Мощность пласта 1,5 м в разрезных печах не позволяла разместить буровой станок, для этого требовалось делать камеры в местах его установки. Разрезные печи для целей дегазации необходимо было проходить лавами через каждые 200 м, вместе с построенными в них камерами через каждые 15-20 м, что составляло определенные трудности. В связи с этим дальнейшее развитие дегазации неразгруженного пласта было приостановлено.

Прошло время, и на смену старой технике пришла новая для бурения скважин и для дегазации неразгруженных пластов. Способ дегазации неразгруженных пластов, таких как в шахтоуправлении «Краснодонецкое», должен быть переосмыслен и пересмотрен с новыми параметрами, которые позволили бы снизить абсолютное газовыделение не менее, чем на 70-80%.

Известны способы дегазации угольньх пластов с целью придания им помимо наличия естественной трещиноватости еще дополнительно искусственной трещиноватости массива. Создание искусственной трещиноватости в большинстве случаев осуществляется с применением технологии гидроразрыва пласта, в результате чего предполагается, чтопроисходит раскрытие имеющихся трещин и образование новых под воздействием избыточного давления жидкости, закачиваемой в пласт.

Основным недостатком технологии гидроразрыва для оживления имеющихся сети природных трещин и создания новых считалось снижение газопроницаемости массива после снятая давления жидкости и под влиянием горного давления смыкания макротрещин после откачки из них жидкости гидроразрыва, что приводило к уменьшению площадей обнажения, через которые, в основном, и происходило газовыделение в каналы фильтрации, соединяющие с добычной скважиной, а также трудностям при эксплуатации в связи с нарушением целостности горного массива.

По-видимому это весьма упрощенное понятие, что касается снижения эффективности газовыделения метана при гидроразрыве и после всех видов нагнетания воды в пласт.

«Южгеологией» при анализе товарных углей в г.Шахты установило, что они содержат элементы, такие как Са, Fe, Рb, Со, Ni, Sr, Be, No, V, Mn, Zn, Al, Si, Ti, Cu, Cr, Zr, Sn, Ge, Ca, Sc, Y, Yb, Ba, Ra, Th, Mg, Li, Nb, Ag P, Hg, As, Sb, Se, и соединений с ними.

Известно из химии, что многие из этих элементов, их окислы и другие вещества, способны образовывать при контакте с водой, обладающей реакционным свойством, в результате физического и химического взаимодействия более сложные молекулы, увеличиваясь в объемах, нередко в виде кристаллов. Они, расширяясь, заполняют в пласте макротрещины, микротрещины и нaнoтpeщины в массиве угля, препятствуя фильтрации метана, который является устойчивым гомогенном к соединениям с другими элементами и веществами в обычных условиях.

Многие газоносные марки углей содержат аналогичные элементы и соединения с ними, отличаясь разве что количеством и их насыщенностью.

Наиболее эффективно дегазация происходит после подработки угольного пласта, в результате чего происходит нарушение сплошности угольного пласта с образованием сети искусственной трещиноватости и больших площадей обнажения газоносных пород и угля. Такой способ дегазации широко применяется на практике, однако в ряде случаев он не применим из-за невозможности или нецелесообразности ведения подъемных работ.

Цель изобретения - повышение эффективности способа дегазации неразгруженных угольных, пластов за счет максимального использования природной трещиноватости с наибольшей отдачей метана из угольных месторождений; на которых ведутся подземные горные работы.

Цель достигается тем, что по пласту бурят скважины таким образом, чтобы они пересекали максимальное количество природных макротрещин, микротрещин и нанотрещин как по всей длине, так и по мощности пласта, при этом осуществляют отвод образовавшейся в процессе бурения пульпы самотеком в действующие выработки под углом не менее 2-3°, для исключения избыточного давления воды в скважинах и предотвращения ее проникновения в пласт, и образования сложных новых молекул, с увеличением их объемов, и содержащихся в угле элементов и их окислов, как физическим, так и химическим взаимодействием, их кристаллизацией и заполнения ими макротрещин, микротрещин, нанотрещин, приводящих к прекращению фильтрации метана в скважины, затем скважины, из которых выделяется метан, подключают в подземных условиях шахт к дегазационной сети труб с последующей выдачей его на поверхность к вакуумной станции и далее к потребителю. Реализация предлагаемого способа дегазации неразгруженного пласта в подземных условиях и с действующих выработок шахт показана в наиболее распространенных способах подготовки шахтных полей, - этажной со столбовой системой разработки и отработкой лав обратным ходом, Фиг.1, погоризонтный способ подготовки, с отработкой лав по восстанию, см. Фиг.2. На Фиг.1 показаны кливажные трещины угля по падению с расположением скважин с подъемом под углом 2-5° к горизонтальным линиям. На Фиг.2 показан кливаж угля по простиранию пласта, с расположением скважин по восстанию под углом, совпадающим с углом залегания пласта. Скважины, пробуренные по углю, из которых выделяется метан, подключаются в шахтных условиях к дегазационной сети труб с последующей выдачей его на поверхность к вакуумной станции и далее к потребителю.