Способ дегазации и каптирования метана из газоносных пластов

 

Изобретение может быть использовано при разработке газоносных и выбросоопасных пластов. Сущность изобретения заключается в создании замкнутой циркуляционной системы с принудительной циркуляцией газообразной смеси со скоростью, рассчитанной по формуле, приведенной в описании. При превышении содержания оксида углерода 0,001% и отношении этилена к ацетилену, равном или более 14, скорость циркуляции увеличивают до его снижения ниже указанного предела. 3 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при дегазации выбросоопасных и газоносных пластов, а также выработанных пространств.

Известен способ дегазации угольного пласта скважинами, включающий бурение скважин, их герметизацию, подключение к ваккум-насосу, каптаж (см. например Чернов О.И. Козанцев Е.Е. Подготовка шахтных полей с газовыбросоопасными пластами. М. Недра, 1975, с.92-96 или а.с. N1086183, кл. Е 21 F 5/00, 1982).

Основными недостатками способа являются низкий уровень извлечения метана, который почти никогда не достигает концентрации, при которой газовая смесь пригодна для сжигания, например, в котельной (40-50%) в связи с тем, что разрежение, подаваемое вакуум-насосом, эффективно стимулирует газовыделения на участке скважины, примыкающей к окончанию обсадной трубы (не более ее 6 диаметров), а приток из массива по всей длине скважины быстро прекращается ввиду низкой газопроницаемости, обусловленной перекрытием дренирующих каналов в виде трещин с радиусом развития около 5500 (так называемые "волосяные" трещины). Кроме того, способ пожароопасен, ввиду неэффективной герметизации, которую очень трудно обеспечить. Имеет место подсос воздуха из выработки, что при низкой скорости движения газовой смеси по скважине, а значит отсутствии отвода тепла, приводит к возникновению пожара в угольном массиве.

Известен также способ дегазации угленосной толщи (см. например, а.с. N 1584486, кл. Е 21 F 7/00, 1990). Способ включает проведение дренажной выработки, закрепленной таким образом, чтобы выработка могла сохранить не менее 1/3 собственного сечения, и, либо вентилирование, либо вакуумирование объема газовоздушной смеси внутри нее. Способ обеспечивает хорошее развитие зоны трещин вокруг выработки.

Основным недостатком способа является его непригодность для каптирования с целью утилизации метана из-за низкой эффективности вакуумирования, подсосов воздуха и постоянного разбавления газовоздушной смеси воздухом. Этим же обусловлена его пожароопасность. Указанный способ принят за прототип.

Целью изобретения является повышение объема извлечения метана и обеспечение возможности утилизации каптируемой газообразной смеси при обеспечении пожаробезопасных условий.

Цель достигается тем, что дренажные выработки соединяют в единую замкнутую систему, скорость движения газообразной смеси в которой устанавливают не менее чем v_o≥ , где σ- коэффициент поверхностного натяжения; ρв плотность воздуха; r радиус капилляра, и поддеpживают циркуляцию газообpазной смеси в системе с указанной скоростью до обогащения ее метаном в количестве, обеспечивающем использование смеси как топлива, после чего циркуляцию прекращают и газовую смесь направляют к месту утилизации, например к шахтной котельной, при этом дополнительно контролируют содержание в смеси оксида углерода, ацетилена и этилена и, в случае содержания оксида углерода в количестве свыше 0,001% и при отношении содержания этилена к ацетилену, равном более 14 С_эт/С_ацет 14, увеличивают скорость движения газовой смеси до снижения отношения содержания этилена к ацетилену ниже указанного предела.

Вторым отличительным признаком является то, что в качестве дренажной выработки используют дегазационные скважины, которые сбивают между собой гидроразрывом в забойной области и обсаживают перфорированными трубами диаметром не более половины диаметра скважины. Третьим отличительным признаком является то, что воздух в дренажную систему выработок подают с исходящей из лавы вентиляционной струи. Четвертым отличительным признаком является то, что дренажную выработку проводят над или под дегазационным выбросоопасным пластом, а циркуляцию газообразной смеси с указанной скорости начинают после разрушения или иного создания высокой газопроницаемости породной толщи межу выработкой и дегазируемым пластом.

Авторам не известны патентные или литературные источники, упоминающие регулирование извлечения метана при постоянном контроле пожароопасности по соотношению этилена и ацетилена скоростью замкнутого вентиляционного потока.

На фиг.1 и 2 приведена схема, пясняющая способ.

Дренажные выработки 1 проводят по газоносному дегазируемому пласту 2 в зоне влияния подрабатывающей лавы 3 по нижележащему пласту, забои тупиковых выработок 1 сбивают с вентиляционным штреком лавы 3 скважинами 4 большого диаметра (250-500 мм), устья которых герметизируют в соединяют газопроводом 5. Устья дренажных выработок также герметизируют от утечек газа и соединяют газопроводом 6 у одного из торцов которого выполнен вентиль 7, перекрывающий доступ в газопровод, ведущий к шахтной котельной, и шахтный вентилятор 8 частичного проветривания с исходом и входом в замкнутой циркуляционной системе и дистанционным управлением с безопасного участка. Регулирование скорости потока производят, например, уменьшением или увеличением открытия (увеличение диаметра трубы газопровода) вентиля 9. Измерение скорости потока V_о осуществляют на выходе из ближайшей к лаве 3 дренажной выработки и сравнивают ее с параметром: v_o≥ а изменяют скорость вентилем 9. При этом постоянно контролируют содержание угарного газа СО и соотношение С_эт/С_ацет, а при его концентрации свыше 0,001% и отношении С_эт/С_ацет ≥ 14 увеличивают скорость V_о до снижения отношения.

C_эт /С_ацет < 14.

Для более полной дегазации по площади дегазируемого пласта бурят скважины 10 в труднодегазируемые участки. Скважины обсаживают перфорированными трубами диаметром не более 1/2 диаметра скважины 11, сбивают и соединяют с газопроводами 5 и 6, а устье 12 скважин герметизируют. В случае особо высокой выбросоопасности дегазируеого пласта дренажные выработки 1 проводят в породах кровли или почвы, а затем создают дренирующие каналы (скважины или разрушения, растрескивание породной пачки между выработкой и дегазируемым пластом) к дегазируемым участкам пласта и производят циркуляцию газовой смеси и дегазацию этих участков. Циркуляцию потока поддерживают до достижения концентрации метана 45-50% и затем закрывают вентиль 7, выключают вентилятор 8 и направляют газовую смесь в котельную.

Положительный эффект, достигаемый при реализации предлагаемого технического решения, обоснован следующим физическим механизмом. Исследованиями А.Т. Айруни (см. Научные основы дегазации угольных пластов. М. 1971. Диссерт. на соискание уч. степени докт.техн.наук. Институт физики земли АН СССР, сектор физико-технических проблем) показано, что движение молекул газа из ультрапор может происходить как путем пеpемещения по порам, так и путем перехода молекул газа в свободную фазу из адсорбированного состояния. При диффузии газа через поры 100-1000 число соударений молекул со стенками пор (капилляров) начинает преобладать над числом соудаpений между собой. Этот тип диффузии назван кнудсеновским. В более мелких порах 10-100 диффузия основном происходит в адсорбирующих слоях по поверхности ультрапор (капилляров) твердого сорбента (фольмеровское движение). Заданное деформирование пород вокруг дренажных выработок, как предусмотрено в прототипе, развивает сеть капилляров, микротрещин, где в основном преобладают эти типы движений газа. Извлечь из таких пор метан одним вакуумированием невозможно, из-за образующихся молекулярных (газ СН₄) пленок.

Расчетная зависимость в формуле изобретения получена следующим образом. Скорость струи в скважинах должна быть такой, чтобы образующиеся на поверхности скважины метановые пленки могли быть сдутыми за счет напора струи, Считая, что в среднем на поверхность скважины из капилляра выступает половина метанового пузырька радиусом r, принимаемым сферическим, имеет необходимое условие для отрыва пузырька: σ·2πr (1) где ρ_в плотность воздуха, кг/м³; σ- коэффициент поверхностного натяжения метановой пленки н/м; V_o необходимая минимальная скорость воздушной струи, м/с. Выражая (1) через другие параметры, получим зависимость v_o (2) Однако без учета возможности загорания угля нельзя говорить о эффективной дегазации угленосной толщи, нарушенной трещинами, так как пожар от прокачивания кислорода по трещинам может привести к катастрофическим последствиям. Для устранения возможности катастрофических аварий в способе предусмотрен контроль по угарному газу (СО) с критерием 0,001% (см.Козлюк А.И, и др. Борьба с самовозгоранием угля на шахтах. Донбасс, 1982, с.120). А поскольку он не всегда эффективен и неоднозначно свидетельствует от пожароопасности, предложен критерий С_эт/С_ацет ≥ 14, так как такое соотношение свидетельствует для большинства марок углей о разогреве свыше 90^оС, то есть температура самовозгорания (см.Калодин И.В. Пашковский П.С. Обнаружение и контроль за развитием и тушением эндогенных пожаров. Обзор ЦНИЭкголь, М. 1991, с. 1, 29, табл. 7). Увеличение скорости струи в этом случае служит для отбора излишков тепла и эжекции (всасывания) газа, застоявшегося воздуха в движущийся поток. Таким образом, совокупность заявляемых параметров по данному способу существенна, но не является предметом обычной инженерной проработки, поскольку обеспечивают разные элементы процесса извлечения метана, не только свободно мигрирующего по трещинам, но и адсоpбированного на их стенках и мелких капиллярах.

Реализация способа поясняется примером из практики работы шахты "Стахановская" По Карагандауголь. Лава длиной 180 м по пл. К₁₀подрабатывает участок пл. К₁₂ газоносного и выбросоопасного. Мощность междупластья 30 м. Для предотвращения катастрофических прорывов метана с газоносного пл.К₁₂ в лаву на пл.К₁₀ предусмотрена передовая дегазация дренажными выработками уклонами. Уклоны проводили с дренажного штрека на длине 150 м, параллельно забою лавы через 100 м один от другого сечением 9 м³ м крепили деревянной крепью. Тупиковый забой уклона сбивали с вентиляционным штреком лавы пл. К₁₀ скважинами диаметром 500 мм, проводимые установкой "Старт". Устья уклонов запловывались на удаление 8 м с оставлением "окна" диаметром 500 мм для подключения вентиляционного става из прорезиненных вентиляционных труб диаметром 500 мм, которыми попарно сбивались выходы уклонов. В замкнутую систему из двух уклонов подключался вентилятор частичного проветривания ВДМ-450, работой которого обеспечили циркуляцию в системе со скоростью, полученной из расчета величины для метановой пленки на два порядка ниже, чем для воды, т.е. σ= 7,4˙10^-4 н/м, ρ_в 1,3 кг/м³, радиус капилляра r 10^-4 м. При указанных значениях параметров v_o≥ 8,7 м/с регулировали стягиванием или отпусканием прорезиновой вентиляционной трубы на вентиляционном штреке лавы пл.К₁₀.

Содержание СО в газовой смеси определяли "Кузбассуголь-2", ежедневно. Дважды отмечено увеличение содержания СО до 0,002 и 0,001% При их обнаружении анализировали содержание и соотношение ацетилена и этилена. Пробы газовой смеси отбирали в трубки-концентраторы, заполненные сорбентами. Затем анализировали пробы на газоаналитическом приборе-хроматографе. При этом в первом случае отношение С_эт/С_ацет << 14, что свидетельствует о случайном локальном повышении температуры и окисления угля. Во втором случае С_эт/С_ацет около 18, следствие чего вентиляционную трубу освободили на 3/4 диаметра, что привело к увеличению скорости до 10 м/с и исключению содержания СО при резком снижении С_эт/С_ацет до 7. Середину расстояния между уклонами дегазировали парами скважин диаметром 200 мм, обсаженным перфорированными трубами d 80 мм, имеющим подключение к циркуляционной системе. На одном из участков пл, К₁₂ прогноз выбросоопасности показал зону особой выбросоопасности. Поэтому дренажные уклоны проходили в породах кровли пласта на расстоянии 0,8 м от почвы выработки, а породу разрушали при обратном ходе комбайна, образуя таким образом дренирующие каналы на пласт. Циркуляцию газовой смеси производили до достижения СН₄ до 50% а затем газовую смесь по трубопроводу направили в котельную шахты. Такие операции повторили дважды, после чего содержание метана в смеси не поднималось более 3% Общее количество метана, извлеченного с участка из двух уклонов, 10 млн. м³, что составило 30% газоносности пласта К₁₂, то есть кроме предотвращения прорыва метана в лаву было осуществлено снижение метана до уровня, устраняющего внезапные выбросы. При реализации операции по способу достигнута более высокая степень извлечения метана, его каптирование и концентрирование до пропорций, пригодных для утилизации, при обеспечении пожаробезопасных условий, так как применен нагнетательный принцип дегазации.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ДЕГАЗАЦИИ И КАПТИРОВАНИЯ МЕТАНА ИЗ ГАЗОНОСНЫХ ПЛАСТОВ угля, включающий проведение дренажных выработок, закрепление их исходя из условий сохранения в ходе эксплуатации не менее 1/3 площади первоначального сечения и дегазацию, отличающийся тем, что дренажные выработки соединяют в единую замкнутую систему, скорость движения газообразной смеси в которой
где σ - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м;
r_в - плотность воздуха, кг/м³;
r - радиус капилляра, м,
поддерживают циркуляцию газообразной смеси в системе с указанной скоростью до обогащения ее метаном в количестве, обеспечивающем использование смеси как топлива, после чего циркуляцию прекращают и газовую смесь направляют к месту утилизации, например к шахтной котельной, при этом дополнительно контролируют содержание в смеси оксида углерода, ацетилена и этилена и в случае содержания оксида углерода свыше 0,001% и отношения содержания этилена а ацетилену, равном или более 14, увеличивают скорость движения газовой смеси до снижения отношения содержания этилена к ацетилену ниже указанного предела.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве дренажной выработки используют дегазационные скважины, которые сбивают между собой гидроразрывом в забойной области и обсаживают перфорированными трубами диаметром не более половины диаметра скважины.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что воздух в дренажную выработку подают с исходящей из лавы вентиляционной струи.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при дегазации выбросоопасных пластов дренажную выработку проводят над или под ними, а циркуляцию газообразной смеси с указанной скоростью начинают после разрушения или иного создания высокой газопроницаемости породной толщи между выработкой и дегазируемым пластом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2