Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле
На правах рукописи
БОРИСЕНКО Александр Викторович
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СИСТЕМЫ ДЕГАЗАЦИИ ЛИКВИДИРОВАННЫХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ
Специальность 25.00.36 Ц Геоэкология
(горно-перерабатывающая промышленность)
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Москва 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Московский государственный
горный университет (МГГУ)
Научный руководитель доктор технических наук
КОЛИКОВ Константин Сергеевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук
ЗАБУРДЯЕВ Виктор Семёнович;
кандидат технических наук
АНПИЛОГОВ Юрий Григорьевич
Ведущая организация Ц ФГУП НН - ГП - ИГД им. А.А.аСкочинского
Защита диссертации состоится 14 марта 2012 года в 1300 на заседании диссертационного совета Да212.128.08 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, 6.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.
Автореферат разослан 09 февраля 2012 года.
Учёный секретарь диссертационного совета
доктор технических наук, профессор Шек Валерий Михайлович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Крупномасштабная реструктуризация угольной промышленности, начавшаяся в 90-х годах во всех угледобывающих регионах России, привела к закрытию большого числа нерентабельных и неперспективных угольных шахт. По данным ГУРШ, на 01.01.2010аг. ликвидировано, а также находится на стадии ликвидации 201 угледобывающее предприятие, в числе которых 186 шахт и 15 разрезов.
Ко времени остановки добычных работ метанообильность шахт Кузнецкого угольного бассейна составляла от 10 до 130 м3/мин метана, Воркуты - 40Ц100 м3/мин, Восточного Донбасса - 10Ц55 м3/мин, Челябинского бассейна, Приморья и Сахалина - 10Ц20 м3/мин метана. После остановки систем проветривания шахт, все образовавшиеся подземные пустоты, за счёт выделения метана, заполняются газом. Газовыделение в нарушенном углепородном массиве продолжается в течение многих лет после окончания добычных работ, и, по мнению ряда экспертов, подтвержденному зарубежным опытом извлечения метана из закрытых шахт, этот период может оцениваться десятилетиями. По ориентировочным прогнозам объёмы метана в техногенных коллекторах могут в 2Ц3 раза превышать объём газа, выделившегося при добыче угля за весь период эксплуатации шахты, что в ряде случаев подтверждается мировой практикой.
Эмиссия шахтного метана по техногенным трещинам в атмосферу негативно сказывается на экологической обстановке. Известно, что метан, как парниковый газ, теплоотражающая способность которого в 21 раз превышает аналогичный показатель для углекислого газа, вносит существенный вклад в изменение климата Земли. Таким образом, ликвидированные угольные шахты неизбежно наносят ущерб окружающей среде.
Кроме того, безвозмездно теряются значительные объёмы метана, являющегося ценным углеводородным сырьём и относительно экологичным топливом. В целом, учитывая масштабы реструктуризации угольной промышленности, метан, содержащийся в техногенных коллекторах ликвидированных шахт РФ, представляет собой достаточно внушительный ресурс, экономическую эффективность извлечения и использования которого показательно демонстрирует опыт зарубежных стран.
Экологизация отрасли путём сокращения шахтных выбросов парниковых газов в атмосферу, повышение уровня метанобезопасности на подработанных территориях, вовлечение метана ликвидированных угольных шахт в энергетический баланс, а также выполнение международных обязательств в рамках Киотского протокола делают данное научное направление актуальным и важным для угледобывающих регионов России.
Целью диссертационной работы является геоэкологическое обоснование выбора перспективных участков и технологических параметров извлечения метана из ликвидированных угольных шахт, обеспечивающих его эффективное использование и снижение выбросов парниковых газов в атмосферу.
Идея диссертационной работы состоит в учёте особенностей геомеханики подработанного углепородного массива для определения перспективных участков извлечения метана из техногенных коллекторов ликвидированных угольных шахт с использованием средств компьютерного моделирования.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Разработана графоаналитическая модель выработанных пространств ликвидированной шахты, базирующаяся на учёте взаимного расположения отработанных участков свиты пластов, позволяющая выбирать перспективные участки извлечения метана из отработанных горных блоков угольных шахт.
2. Создан метод объёмного представления отработанных участков шахты для оценки наличия газопроводной связи между техногенными коллекторами, позволяющий определять глубину заложения и конструкцию газодобычных скважин, что в комплексе с утилизацией каптируемого газа позволит снизить экологический ущерб окружающей среде.
3. Разработана модель формирования притока метана в техногенный коллектор из окружающего углепородного массива, базирующаяся на фундаментальных законах массопереноса газа в массиве горных пород, с учётом сорбции, позволяющая прогнозировать объёмы эффективного отбора газа.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются использованием представительного массива научных и статистических данных о размерах зон техногенного трещинообразования в подработанном массиве для оценки наличия газопроводной связи между выработанными пространствами свиты пластов, а также корректным использованием фундаментальных законов газовой динамики при моделировании массопереноса метана в углепородном массиве с целью прогноза величины его притока в техногенный коллектор.
Научная новизна исследований заключается в разработке графоаналитической модели выработанных пространств ликвидированной шахты, а также метода объёмного представления отработанных участков для оценки наличия газопроводной связи между техногенными коллекторами, что позволяет обоснованно выбирать перспективные участки и параметры заложения (глубина, интервалы перфорации) метанодобычных скважин в отработанные горные блоки угольных шахт.
Практическая значимость исследований состоит в разработке методики выбора участков извлечения метана и обоснования параметров заложения скважин на полях ликвидированных угольных шахт, направленной на обеспечение условий для извлечения кондиционного метана, утилизация которого приводит к снижению выбросов парниковых газов.
Реализация выводов и результатов работы. Результаты проведенных исследований использованы в рабочем проекте Бурение, оборудование и эксплуатация дегазационных скважин с целью извлечения и использования метана из выработанного пространства, утвержденном Приказом Росэнерго №а321 от 16.08.2006аг.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на научно-практических конференциях 2005-2011 гг., таких как:
- XI Всероссийское совещание Современные проблемы развития и освоения угольной сырьевой базы России (г.аРостованааДону, ВНИГРИуголь - 2005 г.);
- Кузбасский международный угольный форум. Научно-практическая конференция Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности (г. Кемерово, КВК Экспо-Сибирь - 2005, 2006 гг.);
- Научный симпозиум Неделя горняка (г. Москва, МГГУ - 2005-2011 гг.);
- Семинар кафедры Инженерная защита окружающей среды МГГУ (2006, 2010, 2011 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в т.ч. Патент РФ на изобретение и 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 50 рисунков, 14 таблиц и список литературы из 249 наименований. Работа содержит 5 приложений.
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., проф. Шеку В.М., д.т.н., проф. Каркашадзе Г.Г., к.э.н. Каплунову Ю.В., горн.аинж. Дурнину М.К., коллективу кафедры ИЗОС МГГУ за научно-методическую помощь при выполнении диссертационной работы. Также автор признателен техническому руководству ОАОаОУКаЮжкузбассуголь, специалистам шахты Осинниковская и Администрации города Осинники Кемеровской области за содействие при проведении диссертационных исследований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Извлечение метана из техногенных пустот угольных шахт в период и после их ликвидации в настоящее время в России не осуществляется, что, с учётом масштабов реструктуризации угольной отрасли, вносит немалый вклад в формирование парникового эффекта. Доля угольного метана в его глобальной эмиссии на Земле оценивается до 8а%, составляя порядка 20а% от выделений метана природными источниками.
Вовлечение нетрадиционного углеводородного ресурса - метана ликвидированных угольных шахт - в энергетический баланс страны является важной народно-хозяйственной проблемой, решение которой обеспечит комплексность освоения углеметановых месторождений и снизит экологическую нагрузку на окружающую природную среду.
Решению экологических проблем угледобывающей отрасли посвящены исследования ИГД им. А.А.аСкочинского, МГГУ, СПГГУ, МНИИЭКО ТЭК, ВостНИИ, ИПКОН РАН, ИУУ СО РАН, РосНИИГД и других организаций. Большой вклад в развитие этого направления внесли А.П. Красавин, Е.А. Ельчанинов, Н.А. Архипов, А.А. Харионовский, Н.Н. Чаплыгин, Е.В. Зайденварг, К.Н. Трубецкой, Ю.В. Каплунов и многие другие. Решением проблем борьбы с метаном, выделяющимся из угольных шахт, занимались такие учёные, как А.А. Скочинский, Л.А. Пучков, Н.В. Ножкин, К.З. Ушаков, Н.О. Каледина, В.С. Забурдяев, А.Т. Айруни, М.А. Иофис, И.В. Сергеев, И.М. Печук, А.Э. Петросян, Е.И. Преображенская, Ю.Ф. Васючков, Н.Г. Матвиенко, С.А. Ярунин, С.В. Кузнецов, С.В. Сластунов, В.И. Мурашов, Г.Я. Полевщиков и др.
Практический опыт зарубежных стран подтверждает целесообразность и эффективность извлечения остаточных ресурсов метана из закрытых угольных шахт. При этом объёмы извлечения газа исчисляются сотнями миллионов кубометров, в ряде случаев превышая объёмы эмиссии метана в период отработки запасов угля. Извлекаемый газ поставляется потребителям или используется для выработки электроэнергии.
Технология ликвидации угольных шахт в России не учитывает возможность последующего извлечения газа, что затрудняет решение этого вопроса на базе опыта зарубежных стран, предполагающего извлечение метана из подземных горных выработок скважинами с поверхности, что требует проведения специальных работ по герметизации подземного пространства. Это объясняет целесообразность разработки технологии извлечения шахтного метана непосредственно из нарушенного горными работами массива, ориентированной на специфические условия ликвидированных шахт РФ.
Анализ состояния вопроса позволил определить задачи диссертационных исследований, которые заключались в обосновании основных критериев и разработке методики выбора перспективных участков извлечения метана из ликвидированных угольных шахт, разработке рекомендаций по выбору оптимальных параметров заложения метанодобычных скважин в техногенные коллекторы угольных шахт, включая глубину заложения скважин, выбор диаметра и интервалов перфорации скважин, а также в аналитической оценке динамики притока метана в техногенные коллекторы угольных шахт из окружающего углепородного массива.
Первое научное положение: Разработана графоаналитическая модель выработанных пространств ликвидированной шахты, базирующаяся на учёте взаимного расположения отработанных участков свиты пластов, позволяющая выбирать перспективные участки извлечения метана из отработанных горных блоков угольных шахт.
Для выбора перспективных участков скважинного извлечения метана из ликвидированных шахт необходимо задаться рядом определяющих критериев, в качестве которых определены следующие:
- Максимальная удельная угленасыщенность области техногенного трещинообразования горного массива;
- Наибольшая газоносность угольных пластов в нарушенной зоне;
- Степень техногенной нарушенности подработанных угольных пластов, определяемая с учётом приоритетных параметров извлечения и утилизации метана;
- Наибольшие площади отработанных участков;
- Отсутствие (минимальное наличие) случаев выклинивания угольных пластов в районе выбираемого участка;
- Поздние годы отработки угольных пластов;
- Наличие и целостность экранирующих пород, препятствующих дренированию (миграции) метана на дневную поверхность;
- Пологое залегание угольных пластов;
- Нисходящий порядок отработки пластов;
- Целостность пластов (низкая вероятность их разрыва при подработке), являющихся водоупорами водоносных горизонтов;
- Низкий (незначительный) уровень затопления подземных горных выработок (в т.ч. выработанных пространств).
Участок шахтного поля, выбираемый для заложения метанодобычных скважин с поверхности, должен также удовлетворять ряду дополнительных условий, таких как:
- Наличие незастроенной территории или соблюдение требований законодательства по минимальному расстоянию от объекта проведения работ до жилых строений;
- Отсутствие на поверхности шахты в выбранных точках заложения скважин всевозможных водоёмов;
- Наличие (возможность обустройства) в выбранных точках заложения скважин ровных участков для размещения буровой установки и другого оборудования для производства работ;
- Наличие участка достаточной площади для размещения техники и всего необходимого для производства работ оборудования;
- Наличие вблизи источников электроснабжения и водоснабжения;
- Наличие (возможность обустройства) подъездных путей для подвоза необходимых материалов и оборудования;
- Наличие, а также непосредственная близость объектов-потребителей каптируемого метана.
На базе обоснованных критериев разработана методика выбора перспективных участков извлечения метана на полях ликвидированных угольных шахт, основанная на анализе горно-геологических и горнотехнических условий конкретной шахты, блок-схема которой показана на рис. 1.
Необходимо отметить, что проранжировать эти критерии по степени важности не представляется возможным, т.к. в каждом конкретном случае тот или иной критерий может оказаться наиболее значимым и определяющим. Так, один участок может УуступатьФ другому по площади отработанных полей, по удельной угленасыщенности техногенного коллектора (суммарной мощности подработанных и нарушенных горными работами пластов), но при этом являться более перспективным ввиду более поздних годов отработки пластов или по гидрогеологическим условиям. Следовательно, определение участков заложения скважин должно базироваться на принципе комплексного учёта всех значимых критериев выбора перспективных участков извлечения метана, что показано на блок-схеме соответствующими связями (рис. 1).
Для анализа горно-геологических и горнотехнических условий шахты и выбора перспективных участков заложения скважин на основе изложенных выше критериев необходимо чёткое представление о взаимном расположении всех выработанных пространств шахтного поля. С учётом того что шахтами может отрабатываться более 10Ц15 пластов, наиболее удобным инструментом сравнительного анализа и выбора участков является графоаналитическая модель выработанных пространств шахты, которая позволяет путём послойного наложения планов горных работ по всем рабочим пластам разделить шахтное поле на участки с различной кратностью подработки, определённой конфигурации и площади. Это позволяет произвести их оценку по ряду критериев, в т.ч. максимальной угленасыщенности коллектора, наибольшей площади подработки и другим.
Рис. 1. Блок-схема алгоритма выбора перспективных участков извлечения метана на полях ликвидированных угольных шахт
На рис. 2 показана разработанная с использованием программного обеспечения AutoCAD (Лицензия №а348-95030716) графоаналитическая 2,5D-модель выработанных пространств ликвидированной шахты Капитальная и действующей шахты Осинниковская (Кузбасс), включающая отработанные участки по 19 пластам из 34 угольных пластов и пропластков, при общей мощности продуктивной толщи 680ам.
Рис. 2. Наложение проекций выработанных пространств шахты Капитальная
Второе научное положение: Создан метод объёмного представления отработанных участков шахты для оценки наличия газопроводной связи между техногенными коллекторами, позволяющий определять глубину заложения и конструкцию газодобычных скважин, что в комплексе с утилизацией каптируемого газа позволит снизить экологический ущерб окружающей среде.
При определении параметров заложения метанодобычных скважин принципиальное значение имеют геомеханические условия формирования техногенных коллекторов в слоистом массиве и их структура, зонирование техногенных пустот по характеру и степени деформаций и разуплотнений.
Предложенный метод предполагает оценку наличия газопроводной связи между техногенными коллекторами в пределах выбранных участков заложения скважин, с определённым количеством выработанных пространств и их комбинациями в свите пластов.
При многократной подработке слоистого массива зоны активных трещин, образованные отработкой пластов, могут соединяться между собой в систему техногенных газодинамически связанных нарушений, представленную различными разломами и трещинами - единый газовый коллектор.
Проведённый сравнительный анализ представительного массива научных и статистических данных позволяет принять для оценки высоты зоны сквозных газопроводящих каналов и трещин, образующихся при обрушении пород кровли отрабатываемого пласта, величину 25m, где m - вынимаемая мощность. Обоснованность данного значения подтверждается также результатами гидрогеологических наблюдений.
Оценка наличия такой газопроводной связи между выработанными пространствами по нескольким пластам свиты в границах определённого участка является принципиально важным вопросом, т.к. позволяет обоснованно принять необходимую для дегазации коллектора глубину заложения скважин, что существенно влияет на капиталоёмкость и экономическую эффективность дегазационных работ в целом.
На рис. 3, 4 показан пример выбора глубины заложения двух метанодобычных скважин № 1-Э и 2-Э, предусмотренных рабочим проектом извлечения метана из выработанных пространств шахты Капитальная, основанного на расчёте зон техногенного трещинообразования в массиве для условий участков заложения этих скважин. В точке заложения скважины № 1-Э отрабатывались четыре пласта - К3, К4, К5, Е1 мощностью 1,27, 1,1, 1,72, 2,55 метра, в точке заложения скважины № 2-Э отрабатывались три пласта - Е1, Е4, Е6 мощностью 1,95, 1,43, 1,59 метра соответственно.
Из рис. 3 видно, что зоны активных трещин, вызванные отработкой пластов в районе заложения скважины №а1-Э, объединены в единый газовый коллектор, исходя из чего скважину целесообразно закладывать в зону активных трещин верхнего из отработанных пластов, предусматривая вскрытие скважиной верхней границы этой зоны примерно на 20ам, поскольку эта величина является минимальной, при которой будет обеспечено вскрытие техногенного коллектора в условиях многократной подработки массива.
Расчёт зон техногенного трещинообразования в районе участка заложения скважины №а2-Э (рис. 4) показывает отсутствие газопроводной связи между выработанными пространствами, что говорит о необходимости вскрытия скважиной нижнего из этих коллекторов с последующей перфорацией скважины в интервалах пересечения вышележащих выработанных пространств.
Анализ результатов проведённых исследований по уровням затопления выработанных пространств шахты Капитальная показал, что в условиях заложения скважины №а2-Э горизонт затопления по нижнему на этом участке выработанному пространству Е1 расположен на 29ам выше почвы вышележащего выработанного пространства Е4, что подтверждает отсутствие связи между этими коллекторами и позволяет сделать вывод об обоснованности принятого для оценки размеров зон активных трещин значения 25m, без учёта трещинообразования в надработанной области горного массива.
Исследования характерных особенностей деформаций пород слоистой кровли при подработке позволяют выделить зону изгиба пластов, в которой горные блоки обрушенных пород лежат в разных плоскостях, как наиболее проницаемую, что объясняется наибольшей раскрытостью секущих трещин в этой зоне относительно других локаций техногенного коллектора (рис. 5).
Таким образом, интервалы перфорации определяются интервалами пересечения вскрываемой скважиной приконтурной своду обрушения пород зоны.
В случае вскрытия скважиной коллектора в зоне приближенной к центральной части выработанного пространства интервал перфорации должен лежать в интервале, верхняя граница которого соответствует максимально возможному значению зоны активных трещин (40m), а нижняя граница расположена на 20 метров ниже верхней границы зоны активных трещин, рассчитанной по её минимальному значению (25m), где m - мощность разрабатываемого пласта.
Перфорация скважины в указанном выше интервале обеспечит вскрытие техногенного коллектора при различном литологическом строении массива, при этом, если зона активных трещин в реальных условиях составит 25m, скважина будет дегазировать также и расположенную выше зону локальных трещин.
В случае вскрытия скважиной коллектора в непосредственной близости к целику величина интервала перфорации hп для вариантов заложения скважины от краевой части целика поавосстаниюа/ападению пласта может быть определена из соотношений 1 и 2 соответственно:
hп = Ltg(1+) , (1)
hп = Ltg(1-) , (2)
где L - расстояние от целика в плоскости пласта;
1 - угол полных сдвижений; - угол падения пласта.
В вопросе выбора шага сетки заложения скважин необходимо отметить, что в районе отработанного участка можно выделить три направления, в которых величина влияния скважины будет иметь различные характерные значения, определяемые проницаемостью углепородного массива, формируя контур питания скважины: в направлении целика (R1); в направлении выработанного пространства к середине лавы (R2); вдоль выемочного столба, по зоне изгиба пластов, приконтурной своду обрушения пород при подработке (R3). На рис. 5 показан прогнозный контур питания скважины в зависимости от места её заложения относительно границ выработанного пространства.
Рис. 3. Конструкция скв. №1-Э (на основании расчёта зон техногенного трещинообразования, вызванного отработкой пластов Е1, К5, К4, К3) | Рис. 4. Конструкция скв. №2-Э (на основании расчёта зон техногенного трещинообразования, вызванного отработкой пластов Е6, Е4, Е1) |
1 - угольный пласт; 2 - выработанное пространство; 3 - целик; 4 - приконтурная зона свода обрушения пород (зона изгиба); 5 - ось скважины; 6 - контур питания скважины
Рис. 5. Прогнозный контур питания скважины в зависимости от места заложения относительно границ выработанного пространства
Радиус влияния скважины в нарушенном массиве относительно точки вскрытия отработанного участка будет различным во всех направлениях и определяться аэродинамическим сопротивлением коллектора, с учётом его техногенной пустотности и проницаемости, что говорит о целесообразности увеличения шага заложения скважин по оси, направленной вдоль выемочных столбов.
Динамика нарастания горного давления в выработанном пространстве показывает, что процесс слёживаемости пород в середине лавы протекает более интенсивно, чем по её краям, что приводит с течением времени к уплотнению массива и закрытию трещин в этой зоне, исходя из чего скважину целесообразно закладывать в приближенную к целику зону.
Таким образом, шаг сетки заложения скважин целесообразно выбирать с учётом длины лавы рассматриваемого объекта, которой будет определяться шаг заложения скважин по одной оси, с увеличением этого параметра по оси, ориентированной вдоль выемочного столба, на определённую величину, которая требует уточнения.
Для обоснования выбора диаметра эксплуатационной колонны скважины проведена оценка влияния аэродинамического сопротивления скважины определённого диаметра, при заданной её глубине, на расход газа. Расчёт массового расхода газа G проводился по формуле:
(3)
Расчёт проведён при следующих параметрах:
- N - мощность насоса, N = 132акВт (вакуум-насос ВВН-50);
- V0 - производительность насоса, V0 = 50ам3/мин. (вакуум-насос ВВН-50);
- D - диаметр обсадной трубы скважины, два варианта: D = 114амм, 146амм;
- l - глубина скважины (длина трубопровода в скважине), четыре варианта: l = 200ам, 300ам, 400ам, 500ам;
- - плотность метано-воздушной смеси, = 1,01акг/м3, при 40% СН4;
- l1 - суммарная длина трубопровода от устья скважины до насоса, l1 = 30ам;
- D1 - диаметр наземного трубопровода, D1 = 200амм;
- 2 / 3 - коэффициент аэродинамического сопротивления поворотов / задвижек, , ;
- n2 / n3 - количество поворотов / задвижек в трубопроводе, n2 = 4, n3 = 4;
- (G) / 1(G) - коэффициент аэродинамического сопротивления обсадной трубы скважины / наземного трубопровода, зависящий от расхода газа:
, , , ,
где Δr - относительная шероховатость канала диаметром D;
- шероховатость стенок скважины / наземного трубопровода, = 0,15амм;
ReD - число Рейнольдса; V - скорость потока газа, м/с;
- кинематическая вязкость газа = 1,4910-5ам2/с.
На рис. 6 показана расчётная зависимость расхода каптируемой метано-воздушной смеси G от внутреннего диаметра обсадной колонны D при заданной глубине дегазационной скважины h, величина которой принята для четырёх частных случаев, в интервале наиболее вероятных глубин заложения таких скважин из практики - 200Ц500ам, при использовании вакуум-насоса ВВН-50.
Рис. 6. Зависимость расхода газа G от диаметра скважины D при заданной глубине заложения h
Полученная зависимость демонстрирует незначительное снижение расхода газа при существенном увеличении глубины заложения скважин, которое составило 16,9 и 11,3а% для скважин внутренним диаметром рабочей колонны 114 и 146амм соответственно, при увеличении глубины скважин в 2,5 раза - с 200 до 500ам.
Таким образом, результаты расчётов показывают нецелесообразность учёта аэродинамического сопротивления обсадных труб при выборе оптимального диаметра метанодобычных скважин, т.к. в диапазоне вероятных величин дебита газа, составляющего по опыту зарубежных стран порядка 20-30ам3/мин., данный параметр не является критичным. Соответственно, при выборе диаметра скважин целесообразно исходить из условий габаритных размеров всего комплекса оборудования, спускаемого в скважину, использование которого предполагается в период строительства и эксплуатации скважин. По данному параметру необходимым и достаточным диаметром рабочей колонны скважины может служить а114амм и близкие к нему.
Третье научное положение: Разработана модель формирования притока метана в техногенный коллектор из окружающего углепородного массива, базирующаяся на фундаментальных законах массопереноса газа в массиве горных пород, с учётом сорбции, позволяющая прогнозировать объёмы эффективного отбора газа.
В работе решена задача массопереноса газа в углепородном массиве с целью оценки объёмов его поступления в техногенные коллекторы из периферийных участков неразгруженного массива и динамики притока метана во времени. При решении использовалось дифференциальное уравнение неустановившейся фильтрации газа в угольном пласте с учётом сорбции метана по зависимости Ленгмюра, выполнения линейного закона Дарси, уравнения состояния газа Бойля-Мариотта и уравнения неразрывности движения газа:
, (4)
где ; k - проницаемость пласта; - вязкость газа; p - давление газа;
x, y, z - координаты; m - пористость пласта; a, b - постоянные Ленгмюра;
R - универсальная газовая постоянная; T - температура; t - время.
Поступления метана в коллектор из вмещающих пород рассчитывались без учёта сорбции.
Расчёты проводились с использованием программного обеспечения COMSOL Multiphysics (Лицензия № 1062774).
Рассматриваемая модель фрагмента горного блока представлена на рис. 7 и имеет размеры в разрезе 600450 метров (xy соответственно). Модель массива включает четыре угольных пласта, один из которых, мощностью 3ам, является отработанным, два пласта, мощностью 0,8ам и 2ам, залегают в подработанной области массива и один пласт, мощностью 1 м, лежит в надработанной части массива. Вмещающие породы в модели приняты одного типа, с одинаковыми свойствами. Ширину выработанного пространства в модели принимаем 200 м. Высоту зоны активных трещин над выработанным пространством принимаем 25m, где m - вынимаемая мощность отрабатываемого пласта. Таким образом, высота техногенного коллектора в модели составляет в своде 75ам. По краям выработанного пространства в модели имитируются подготовительные горные выработки - откаточный и вентиляционный штрек. Поскольку задачей является моделирование притока метана в техногенный коллектор в течение длительного периода времени после отработки, в модели учтено условие конвергенции пород кровли и почвы подготовительных выработок и размеры штреков приняты 40,5ам (xy соответственно). Геометрия сечения этих выработок и их расположение в массиве показаны на рис. 7.
В символах программного обеспечения COMSOL Multiphysics уравнение фильтрации метана в угле описывается формулой:
, (5)
где k - проницаемость, м2; - динамическая вязкость, Пас;
- плотность газа, кг/м3; m - пористость; p - давление газа, Па;
t - время, с; a [Па-1], b [кг/м3] - константы сорбции.
; .
Решение задачи производилось для условий изотермического процесса.
Плотность газа рассчитываем исходя из уравнения Клапейрона-Менделеева:
, (6)
где R - универсальная газовая постоянная, R = 8,31 Дж/(мольК);
T - температура, К; CH4 - молекулярный вес метана, CH4 = 1610-3 кг/моль.
Процесс фильтрации в породах описывается аналогичным уравнением, с той особенностью, что отсутствует сорбция (а = 0, b = 0), в результате чего уравнение (5) приобретает вид:
(7)
Процесс моделировался при следующих начальных и граничных условиях:
Пластовое давление в массиве задано с градиентом и возрастает от верхней границы блока к нижней с 2 до 3 МПа, давление газа в коллекторе - 0,3 МПа, на границах подготовительных выработок - 0,1 МПа (условие наличия аэродинамической связи штреков с поверхностью шахты), верхняя граница выделенного блока - изолирована (принимается условие наличия экранирующих пород, препятствующих дренированию метана на поверхность).
Проницаемость неразгруженных угольных пластов - 510-3 мД (510-18ам2), вмещающих пород - 0,510-3 мД (510-19 м2). Проницаемость деформированных пород внутри коллектора принимаем на три порядка выше, чем у вмещающих пород в нетронутом массиве. Пористость угля в массиве - 2%, вмещающих пород в массиве - 4%, деформированных пород в коллекторе - 4,4%. Температура в массиве - 300 К. Динамическая вязкость газа - 1,0810-5 Пас. Предельная метаноёмкость в уравнении Ленгмюра (b) - 60 кг/м3. Коэффициент в уравнении Ленгмюра (a) - 0,20710-6 Па-1.
а1, а2, а3, а4 - угольные пласты мощностью 1,0 м, 3,0 м, 0,8 м, 2,0 м соответственно;
b1, b2, b3, b4, b5 - породные пласты мощностью 100 м, 49 м, 47 м, 99,2 м, 148 м;
L - ширина выработанного пространства / выемочного столба (длина лавы);
с - контур зоны обрушения и техногенного трещинообразования пород в массиве, высотой h = 25m (75 м), вызванного отработкой пласта а2, мощностью m (3 м)
Рис. 7. Модель горного блока
При заданных условиях результаты моделирования показывают, что через три месяца в выделенном блоке горного массива устанавливается градиент давления, который с течением времени существенно не меняется.
На рис. 8 показано распределение давления газа в массиве через 10 лет с момента начала моделируемого процесса.
Рис. 8. Распределение газового давления в массиве через 10 лет с момента
начала процесса при заданных условиях моделирования (Па)
р - давление газа в массиве, Па; y - высотные отметки, м
Рис. 9. Распределение газового давления в массиве по линии
разреза А-А (см. рис. 7) через 2, 5, 10 лет
На рис. 9 представлен график распределения газового давления в массиве по линии разреза А-А (см. рис. 7) через 2, 5 и 10 лет, из которого видно, что при заданных начальных и граничных условиях давление метана в окружающих породах через 10 лет функционирования такого коллектора снижается не более чем на 25а%.
Исходя из соображений, что каждая скважина будет дегазировать определённый участок техногенного коллектора в соответствии с сеткой заложения скважин, перейдём от плоской задачи фильтрации к объёмной, задав размер коллектора по третьей оси без изменения конфигурации свода обрушения пород. Такое решение справедливо для фрагмента горного массива в средней части выемочного столба. При условии заложения метанодобычных скважин по дине выемочного столба с шагом 500ам, каждой скважиной будет дегазироваться техногенный коллектор в горном блоке 600450500 (xyz соответственно) м3.
Таким образом, с помощью разработанной модели произведена оценка суммарного притока метана в коллектор для участка протяжённостью 500 метров по длине выемочного столба при заданных геометрических параметрах блока.
На рис. 10 представлен график динамики притока метана за 10 лет с момента начала моделируемого процесса массопереноса в заданных условиях.
Q - дебит метана, м3/мин; t - время, сек.
Рис. 10. Динамика притока метана в техногенный коллектор за первые 10 лет с момента начала процесса
Представленная зависимость демонстрирует резкое снижение дебита метана в первый год функционирования коллектора при заданных начальных и граничных условиях. Через 2Ц3 года динамика притока метана стабилизируется, и его величина в последующий период времени снижается по экспоненте незначительно - с 2,95 м3/мин через 2 года до 2,65 м3/мин через 10 лет, т.е. сокращается на 10,2а%.
Исходя из полученной экспоненциальной зависимости, можно прогнозировать, что через 30 лет функционирования такого коллектора в заданных условиях дебит метана может составить порядка 2 м3/мин, т.е. порядка 70а% от дебита через 5 лет с момента начала моделируемого процесса.
Таким образом, на участке длиной в плане 500 метров, при заданных условиях моделирования, в техногенный коллектор за 10 лет поступит порядка 14 млн.ам3 метана (при среднем дебите 2,7 м3/мин).
Данная модель позволяет выполнить оценку потенциально извлекаемых ресурсов шахтного метана из выработанных пространств, с учётом конкретных горно-геологических и горнотехнических условий, а также периода времени, истекшего с момента отработки участка. Соответственно, прогнозирование объёмов поступления метана в коллектор позволяет определить оптимальные параметры отбора газа с необходимой концентрацией СН4.
Полученные результаты являются подтверждением того, что потенциал отработанных шахтных полей по метану не ограничивается остаточными ресурсами метана в пределах горного отвода, т.к. закономерно происходящие в углепородном массиве газодинамические процессы обеспечивают многолетнюю подпитку техногенных коллекторов метаном с периферийных участков.
Выполнена оценка эколого-экономической эффективности, которая может быть достигнута при реализации предложенных решений. В условиях ликвидированной шахты Капитальная (Кузбасс), при проектном объёме извлечения метана пятью скважинами 90 млн. м3 (1,26 млн. т углеродного эквивалента), снижение выбросов парниковых газов в атмосферу составит 1,08Ц1,2 млн. т углеродного эквивалента, в зависимости от способа утилизации извлекаемого метана. Расчётный экономический эффект при реализации указанного проекта, с учётом действия механизмов Киотского протокола, может составить порядка 16,2Ц18,0 млн. евро, при рыночной ставке ЕСВ 15 евро/т СО2.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе решена актуальная для угольной отрасли научно-практическая задача снижения негативного экологического воздействия на окружающую среду шахтных выбросов и вовлечения в энергобаланс метана ликвидированных угольных шахт путём его скважинного извлечения системой дегазации с параметрами, обеспечивающими его эффективное использование.
Основные выводы и результаты, полученные лично автором:
1. Сформулирован и обоснован ряд основных критериев, определяющих выбор перспективных участков извлечения метана скважинами с поверхности на ликвидированных угольных шахтах.
2. Разработана графоаналитическая модель выработанных пространств ликвидированной шахты с использованием компьютерных технологий, базирующаяся на разделении рассматриваемого шахтного поля на участки с различной кратностью подработки, что позволяет произвести выбор перспективных участков извлечения метана по ряду критериев, в т.ч. максимальной угленасыщенности техногенных коллекторов, размерам выработанных пространств, наличию сквозной газопроводной связи между ними и др.
3. Создан метод объёмного представления отработанных участков шахты для оценки наличия газопроводной связи между техногенными коллекторами, позволяющий определять глубину заложения и конструкцию газодобычных скважин (в т.ч. интервалы перфорации), с учётом закономерностей развития деформационных процессов в массиве при подработке, а также структурных особенностей техногенных коллекторов по степени и характеру дезинтеграции пород.
4. Разработана и утверждена методика выбора перспективных участков извлечения метана на полях ликвидированных угольных шахт, а также даны рекомендации по выбору шага заложения скважин, предполагающие его увеличение по оси, направленной вдоль выемочных столбов.
5. Разработана модель формирования притока метана в техногенный коллектор из окружающего углепородного массива, базирующаяся на фундаментальных законах массопереноса газа в массиве горных пород, с учётом сорбции, позволяющая прогнозировать объёмы эффективного отбора газа.
6. Экологический эффект, достигаемый при извлечении и утилизации 90амлн. м3 метана в условиях ликвидированной шахты Капитальная (Кузбасс), оценивается в 1,08Ц1,2 млн. т углеродного эквивалента, в зависимости от способа использования каптируемого газа.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:
1. Борисенко А.В. Методологический подход к проблеме извлечения шахтного метана из выработанного пространства поля ликвидированной шахты Капитальная // Сборник докладов / Семинар молодых ученых, специалистов, студентов и аспирантов ОАО Промгаз, МГГУ, ОАО ВНИМИ по комплексному проекту: Создание технологий извлечения и промышленного использования ресурсов метана угольных пластов. - Новокузнецк: ОАО Промгаз, 2005. - С. 85-94.
2. Борисенко А.В. Проблема извлечения метана из выработанных пространств ликвидированных угольных шахт // Сборник докладов: XI Всероссийское совещание Современные проблемы развития и освоения угольной сырьевой базы России. - Ростов-на-Дону: ВНИГРИуголь, 2005.
3. Борисенко А.В. Обоснование параметров заложения метанодобывающих скважин в отработанные горные блоки ликвидированной шахты Капитальная // Сборник научных трудов: Создание технологий извлечения и использования ресурсов метана угольных пластов на шахтных полях. - М.: МГГУ, 2006. - С. 54-61.
4. Борисенко А.В. Проектные решения по выбору точек заложения метанодобывающих скважин на поле ликвидированной шахты Капитальная в Кузбассе // Сборник научных трудов: Создание технологий извлечения и использования ресурсов метана угольных пластов на шахтных полях. - М.: МГГУ, 2006. - С. 61-70.
5. Патент РФ на изобретение № 2393353. Способ извлечения метана на полях ликвидированных угольных шахт / Пучков Л.А., Сластунов С.В., Каркашадзе Г.Г., Коликов К.С., Борисенко А.В. - БИ № 18, 2010. Заявка № 2008146494/03 от 26.11.2008.
6. Борисенко А.В., Иванов Ю.М., Волков М.А. Факторы, определяющие перспективные участки заложения скважин для извлечения метана из ликвидированных и действующих шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) / МГГУ. - 2011. - №3. - С.а196-201.
7. Борисенко А.В., Мазаник Е.В., Ларионов П.В. Математическое моделирование массопереноса метана в подработанном углепородном массиве // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) / МГГУ. - 2011. - Отд. вып. №8 Экология и метанобезопасность. - С.а407-420.
8. Борисенко А.В. Скважинное извлечение метана из ликвидированных угольных шахт: выбор основных технологических параметров. МГГУ. - М., 2011. - 12ас. - Деп. в изд-ве Горная книга 27.12.2011, № 875/3-12.
9. Борисенко А.В., Иванов Ю.М., Волков М.А. Аналитическая оценка притока метана в техногенный коллектор с периферийных участков неразгруженного углепородного массива. МГГУ. - М., 2012. - 15ас. - Деп. в изд-ве Горная книга 16.01.2012, № 876/3-12.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле