СПОСОБ ДЕГАЗАЦИИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ Российский патент 2010 года по МПК E21F7/00 

Изобретение относится к области горного дела, а более конкретно к разработке угольных месторождений.

Известно, что в угольной промышленности регулярно происходят выбросы угля и газа со взрывом метана, что приводит к большему числу человеческих жертв.

Существующие способы обнаружения накопления взрывоопасной концентрации метана в шахтной выработке не всегда срабатывают, и аварии в шахтах происходят с пугающей частотой.

Наиболее радикальным способом исключения таких аварий является предварительная дегазация угольного пласта.

Известен способ дегазации угольных пластов, заключающийся в том, что на угольный пласт бурятся две скважины, которые соединяют между собой горизонтальным буровым каналом с использованием навигационных систем и направленного гидроразмыва через наклонно-горизонтальную скважину (см. патент РФ №2282722).

Недостатками известного способа являются: техническая сложность размыва угольного пласта, а также малая вероятность создания надежной гидравлической связи между скважинами; ограниченная область охвата угольного пласта дегазацией.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к заявленному способу является способ дегазации угольных пластов посредством взрывного воздействия на угольный пласт путем подрыва ядерного заряда в непроницаемых горных породах, залегающих ниже угольного пласта на определенном расстоянии от него, исключающем проникновение радиоактивных продуктов в шахту (см. книгу Мирные ядерные взрывы. М., ИздАТ, 2001, стр.402-407).

При прохождении ударной волны через угольный пласт в нем образуется сеть трещин и происходит выделение метана. После проветривания шахты работа в ней становится более безопасной.

Однако этот способ имеет целый ряд существенных недостатков.

1. Способ технически сложен в реализации и отличается высокой стоимостью.

2. При реализации способа не исключена возможность проникновения радионуклидов в шахтные выработки.

3. При размещении заряда на большом расстоянии от угольного пласта образующаяся сеть микротрещин может оказаться недостаточной для выделения метана из всего объема пласта.

Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в создании обширной зоны трещиноватости по всему объему угольного пласта и обеспечении благодаря этому эффективной дегазации угольных пластов с максимальным охватом угольного пласта процессом дегазации и, как следствие, в предотвращении внезапных аварийных выбросов в шахтную выработку угля и метана.

Для получения указанного технического результата предложен способ дегазации угольных пластов, включающий взрывное воздействие на угольный пласт, отличием которого, согласно изобретению, является то, что на угольный пласт бурят куст вертикальных и наклонных скважин, обсаживают их обсадными трубами до кровли угольного пласта, при этом в интервале угольного пласта стволы скважин, оставленные открытыми, заполняют взрывчатым веществом и подрывают взрывчатое вещество.

Целесообразно расстояние R между стволами соседних скважин определять из соотношения R=(0,8-1,2)(R_T1+R_T2), где R_T2 R_T2 - радиус зоны трещиноватости, образованной взрывом в первой и во второй скважине соответственно.

Целесообразно также при равенстве мощностей зарядов в соседних скважинах расстояние R между стволами соседних скважин определять из соотношения R=(1,8-2,1)R_T, где R_T - радиус зоны трещиноватости, образующейся при взрыве одного заряда.

Рассмотрим подробнее отличительные признаки предлагаемого изобретения.

1. Бурение скважин производится с одной промплощадки (куста), что обеспечивает максимальный охват угольного пласта процессом дегазации.

Технология кустового бурения скважин в настоящее время достаточно хорошо отработана и является экономически эффективной, поскольку исключаются расходы на монтаж-демонтаж бурового оборудования и его перемещение для бурения каждой новой скважины.

2. В качестве взрывчатых веществ могут быть использованы как твердые химические взрывчатые вещества (например, в виде шнуровых торпед), так и жидкие взрывчатые вещества. Это позволит уменьшить количество скважин, обеспечивающих дегазацию угольного пласта, и в то же время существенно снизить сейсмическое воздействие на наземное оборудование по сравнению с прототипом.

3. Расстояние между открытыми стволами соседних скважин рассчитывают исходя из мощности зарядов, приемлемых с учетом сейсмического воздействия на наземное оборудование.

Если мощность зарядов в соседних скважинах одинакова, то расстояние R между стволами соседних скважин определяют из соотношения R=(1,8-2,1)R_T, где R_T - радиус зоны трещиноватости, образующейся при взрыве одного заряда.

Если мощности зарядов в соседних скважинах различаются, то расстояние между ними определяется из соотношения R=(0,8-l,2)(R_T1+R_T2), где R_T1, R_T2 - радиус зоны трещиноватости, образованной взрывом в первой и во второй скважине соответственно.

Это условие является существенным. Так как, если R будет меньше 0,8 ΣR_T, то останется существенная часть угольного пласта, в котором будут отсутствовать трещины необходимые для извлечения метана. Если R будет больше 1,2 ΣR_T, то это повлечет перерасход взрывчатого вещества.

Радиус зоны трещиноватости, образованной взрывом химического взрывчатого вещества, может быть определен по формуле

где W - масса заряда, кг;

K - коэффициент, зависящий от свойств горной породы (для плотных пород К может быть принят равным 7) (см., например, брошюру авторов Приходько Н.К. и др. Применение химических взрывчатых веществ для интенсификации разработки нефтяных и газовых месторождений. Нефтяная промышленность, серия «Нефтепромысловое дело». Выпуск 5, М., 1981, стр.14).

Для более полного извлечения метана устья скважин, после проведения в них взрывов, соединяют с вакуумным насосом. Извлекаемый метан компрессором подается потребителю для выработки тепла или электроэнергии.

На фиг.1 показано размещение зарядных скважин в разрезе.

На фиг.2 показано размещение зарядных скважин в плане.

На приведенных чертежах следующие обозначения:

1. Горные породы, перекрывающие угольный пласт.

2. Угольный пласт.

3. Горные породы, подстилающие угольный пласт.

4. Вертикальная скважина.

5. Наклонно направленная скважина.

6. Кондуктор.

7. Обсадная колонна.

8. Забой выработки.

9. Вакуумный насос для откачки метана.

10. Компрессор.

11. Потребитель.

Пример осуществления способа.

Пример осуществления способа проиллюстрируем на гипотетическом варианте. Угольный пласт, имеющий высоту 10 м и ширину 50 м, залегает в интервале 500-520 м. Планируется бурение скважин, диаметр открытого ствола в интервале угольного пласта составит 150 мм. Суммарный вес твердого химического взрывчатого вещества, размещаемого в одной скважине, принимается равным 200 кг.

При взрыве такого заряда радиус образующейся зоны трещиноватости, в соответствии с формулой (1), составит 16 м. Следовательно, максимальное расстояние между стволами соседних скважин должно быть не менее 16·2=32 м. Принимая это расстояние равным 30 м, можно видеть, что по ширине угольного пласта следует разместить не более 2 скважин.

Таким образом, формируем куст скважин, включающий: 2 наклонные скважины в направлении забоя шахты (на расстоянии от забоя не менее 16 м), две вертикальные скважины и 2 наклонные скважины в направлении от забоя шахты. После подрыва зарядов в этих скважинах дегазация угольного пласта будет осуществлена на расстоянии от забоя шахты, равном 16 м+30 м+30 м+16 м=86 м.

После отработки дегазированного участка угольного пласта дегазация последующего участка осуществляется аналогичным образом.

Практическая значимость предлагаемого изобретения.

Внедрение предлагаемого изобретения позволит не только сделать безопасной добычу угля и спасти десятки, если не сотни, человеческих жизней, но и экономически может оказаться выгодным по следующим причинам.

1. Известно, что в одной тонне угля в среднем содержится до 25-30 м³ метана, см. например, статью Малышева Ю.Н., Серова В.И. «Экономические аспекты добычи и утилизации шахтного метана». Горный вестник, №3, 1995, стр.7-10. Следовательно, из одного только участка угольного пласта, в рассмотренном примере, может быть получено

10 м·50 м·86 м·1,3 т/м³·25 м³/т≈1,4 млн.м³ метана.

2. Создание зоны трещиноватости в угольном пласте взрывами в скважинах позволит в последующем сократить как время, так и энергетические затраты на выемку угля.

3. Стволы пробуренных скважин, после выемки угля в окрестности этих скважин, могут быть использованы как дополнительные каналы для проветривания шахтных выработок или для подачи воды в случае возникновения возгорания угля, что также может рассматриваться как отличительный признак.

Изобретение относится к области горного дела, а именно к способу дегазации угольных пластов. Бурят куст вертикальных и наклонных скважин на угольный пласт. Обсаживают их обсадными трубами до кровли угольного пласта. Заполняют открытые в интервале угольного пласта стволы скважин взрывчатым веществом. Производят взрывное воздействие на угольный пласт путем подрыва взрывчатого вещества. При этом расстояние R между открытыми стволами соседних скважин в интервале угольного пласта определяют из соотношения: R=(0,8-1,2)(R_T1+R_T2) или R=(1,8-2,1)R_T. R_T1, R_T2 - радиусы зоны трещиноватости, образованной взрывом, соответственно в первой и во второй скважине. R_T - радиус зоны трещиноватости, образованной при взрыве одного заряда при равенстве мощностей зарядов в соседних скважинах. Повышает эффективность дегазации за счет создания обширной зоны трещиноватости по всему объему угольного пласта. 2 ил.

Способ дегазации угольных пластов, включающий бурение на угольный пласт скважин, заполнение открытых в интервале угольного пласта стволов скважин взрывчатым веществом, взрывное воздействие на угольный пласт путем подрыва взрывчатого вещества, отличающийся тем, что на угольный пласт бурят куст вертикальных и наклонных скважин, обсаживают их обсадными трубами до кровли угольного пласта, при этом расстояние R между открытыми стволами соседних скважин в интервале угольного пласта определяют из соотношения
R=(0,8-1,2)(R_T1+R_T2) или R=(1,8-2,1)R_T, где
R_T1, R_T2 - радиусы зоны трещиноватости, образованной взрывом, соответственно, в первой и во второй скважине;
R_T - радиус зоны трещиноватости, образованной при взрыве одного заряда при равенстве мощностей зарядов в соседних скважинах.