СПОСОБ ЗАБЛАГОВРЕМЕННОЙ ДЕГАЗАЦИИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ Российский патент 2017 года по МПК E21F7/00 E21B43/25 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для заблаговременной дегазации угольных пластов любой стадии метаморфизма, а также других полезных ископаемых, подлежащих или находящихся в разработке подземным (шахтным) способом.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Из уровня техники известен способ дегазация угольных пластов, раскрытый в RU 2447290 C1, опубл. 10.04.2014. Известный способ дегазации угольных пластов включает бурение скважин, обсаживание скважин и цементирование затрубного пространства. Выделение в углепородном массиве, по меньшей мере, одного пласта с низкой газопроницаемостью над, по меньшей мере, одним угольным пластом, намеченным к дегазации, вскрытие угольных пластов и вмещающих пород, механическое воздействие на угольные пласты путем гидроразрыва, удаление рабочей жидкости, отбор воды по всей толще углепородного массива ниже пласта с низкой газонепроницаемостью, добычу газа по всей толще углепородного массива.

Известный способ является дорогостоящим и не гарантирует дегазацию угольных пластов до промышленно-безопасного уровня.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является RU 2521098 С2, опубл. 27.06.2014. В наиболее близком аналоге раскрыт способ добычи метана из угольных пластов, включающий:

- определение мощности пласта в разрезе скважины - определение марочного состава углей;

- подведение к метано-угольной залежи через рабочий интервал вертикальной скважины источника периодических направленных коротких импульсов высокого давления;

- воздействие на пласт энергией плазмы, образуемой взрывом калиброванного металлического проводника, в виде периодических направленных коротких импульсов высокого давления, при этом количество импульсов высокого давления и длительность воздействия в каждом интервале метано-угольной залежи определяются мощностью пласта в разрезе скважины и марочным составом углей.

Недостатком наиболее близкого аналога «Электрический разряд в жидкости или Электрогидравлический эффект Юткина» являются неуправляемые колебания, нет направленных по горизонтали колебаний, нет периодичности колебаний, необходима моно среда, каждый импульс разный по мощности, нет возможности создания резонанса.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей заявленного изобретения является разработка эффективного и безопасного способа дегазации угольных пластов.

Техническим результатом изобретения является снижение времени дегазации угольных пластов, снижение безопасности при дегазации угольных пластов и повышение эффективности дегазации угольных.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ заблаговременной дегазации не разгруженных и разрабатываемых угольных пластов, через скважины, пробуренные в куполах обрушения, включающий следующие операции:

a) Бурение скважин в запланированных в шахте куполах обрушения с последующей обсадкой стальными колоннами с технологическими отверстиями и их цементированием ниже уровня водоносного горизонта;

b) Обсадка скважин перфорированными стеклопластиковыми колоннами ниже обсадной металлической трубы;

c) Плазменно-импульсное широкополосное периодическое воздействие на рабочие угольные пласты;

d) Плазменно-импульсное широкополосное периодическое воздействие на газоносные не рабочие пласты-спутники;

e) Плазмено-импульсное широкополосное периодическое воздействие на перекрывающие проницаемые взрывоопасные породы;

f) Съем чистого метана через затрубное пространство скважины из рабочего пласта, пласта-спутника и взрывоопасной проницаемой перекрывающей породы.

Обсадку стальными колоннами осуществляют от устья до уровня в скважине, перекрывающего водоносный горизонт породы не менее чем на 30 метров или до кровли рабочего угольного пласта.

Обсадку перфорированными стеклопластиковыми колоннами осуществляют от металлической трубы до забоя скважины.

Бурение скважин осуществляют на 60 м ниже подошвы рабочего угольного пласта или прилегающего пласта-спутника.

Стеклопластиковые трубы соединены со стальными трубами через переходник.

Плазменно-импульсное воздействие на рабочий угольный пласт или пласт-спутник осуществляют от подошвы до кровли соответствующего пласта в выбранных точках.

Плазменно-импульсное воздействие на перекрывающие проницаемые взрывоопасные породы осуществляют от подошвы до кровли взрывоопасной породы.

Плазменно-импульсное воздействие осуществляют, по крайней мере, при одной спуско-подъемной операции.

Дегазацию угольных пластов осуществляют за 3-5 лет до подхода к стволу скважины угольного комбайна.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение будет более понятным из описания, не имеющего ограничительного характера и приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

Фиг. 1 - Продольный разрез скважины;

Фиг. 2 - Структура угольного пласта до и после плазменно-импульсного воздействия.

Фиг. 3 - График огибающих мощности сигналов в указанных полосах частот в скважине во время воздействия.

1 - геофизический кабель; 2 - рабочий угольный пласт; 3 - перфорация; 4 - источник плазменно-импульсного воздействия; 5 - зумпф; 6 - стеклопластиковая колонна; 7 - кровля купола обрушения; 8 - микротрещины; 9 - пласт-спутник; 10 - стальная колонна; 11 - переходник.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ заблаговременной дегазации не разгруженных и разрабатываемых угольных пластов, через скважины, пробуренные в куполах обрушения, осуществляют следующим образом.

В соответствии с фиг. 1 осуществляют бурение скважин в запланированных в шахте куполах обрушения, имеющих кровлю (7), с последующей обсадкой стальными колоннами (10) с технологическими отверстиями и их цементированием ниже уровня водоносного горизонта. При этом перед бурением скважин осуществляют выбор места бурение скважины, с таким расчетом, чтобы под землей угольного комбайна подошел к стволу скважины через 3-5 лет. Место бурения определяют на основе геолого-технических характеристик угольного пласта. Количество скважин в куполах обрушения определяется в зависимости от «Инструкции по дегазации угольных шахт». Кроме того, перед обсадкой скважин стальными колоннами (10) проводят геофизические исследования в скважинах с последующим определением интервала дегазируемого угольного пласта.

Далее осуществляют обсадку скважин перфорированными стеклопластиковыми колоннами (6) ниже обсадной металлической колонны (10). При этом стеклопластиковые колонны (6) соединяют со стальными колоннами (10) при помощи переходника (11) и не требует цементирования. Перфорация (3) в стеклопластиковой колонне (6) выполнена по всей глубине залегания в скважине рабочего угольного пласта, пласта-спутника и проницаемой взрывоопасной породы.

После обсадки скважины стеклопластиковыми (6) и стальными (10) колоннами осуществляют плазменно-импульсное широкополосное периодическое воздействие на рабочий угольный пласт (2), на газоносные не рабочие пласты-спутники (9) и на перекрывающие проницаемые взрывоопасные породы. При этом до плазменно-импульсного воздействия проводят геофизические исследования с последующим определением уровня жидкости в скважине. Плазменно-импульсное широкополосное периодическое воздействие на рабочий угольный пласт (2) осуществляют при помощи источника плазменно-импульсного воздействия. Для этого источник (4) плазмено-импульсного воздействия опускают при помощи геофизического кабеля (1) в скважину на глубину, соответствующую подошве рабочего угольного пласта (2), производиться широкополосное периодическое воздействие в каждой определенной точке в заданном интервале, количество импульсов разряда и шаг по интервалу перфорации определяется в зависимости от мощности рабочего угольного пласта (2), воздействие осуществляют за счет короткого импульса в 55 микросекунд с рассчитанной периодичностью, короткий импульс образуется в результате испарения металлического проводника в источнике и образования холодной плазмы. В результате создает кратковременное давление величиной в 10 тонн/см², что позволяет сжимать среду до тех пор, пока давление импульса не уравняется с давлением среды в угольном пласте. После этого начинается процесс растяжения среды в сторону источника колебаний. Образование металлической плазмы дает широкополосный сигнал от 0,01 герц до 400 Гц, который усиливает доминантную частоту в пласте (пласт сам выберет из широкой полосы нужный сигнал). При растяжении и сжатии среды возникают поперечные сдвиговые колебания, освобождается газ из трещин, пор, капилляров, а также из закрытых угольных пор и из воды. Появляется акустическая и гидродинамическая кавитация, которая вызывает тепломассообмен в пласте. В результате получается синергетический эффект. Появившиеся поперечные колебания являются низкочастотными, которые затухают очень медленно, даже когда периодическое воздействие уже давно закончилось.

В результате в рабочем угольном пласте (6) образуются аномальные сети микротрещин (см. фиг. 2) на значительных площадях (до 1 км), которые приводят к повышению проницаемости по пласту и переводу газа (метана) из сорбированного и растворенного вида в свободное состояние. При необходимости повторного плазменно-импульсного широкополосного периодического воздействие на рабочий угольный пласт (6) источник опускают на глубину, соответствующую подошве рабочего угольного пласта, после чего прибор поднимают до его кровли.

На фиг. 3 показаны огибающие мощности сигналов в указанных полосах частот в скважине во время воздействия. По оси Y - длина волны, по оси X - время.

После плазменно-импульсного широкополосного периодического воздействия на рабочий угольный пласт (6) осуществляют плазменно-импульсное широкополосное периодическое воздействие на газоносные не рабочие пласты-спутники (9). Плазменно-импульсного широкополосного периодическое воздействие на газоносные нерабочие пласты-спутники (9) осуществляют аналогично (с теми же параметрами) плазменно-импульсного широкополосного периодического воздействия на рабочий угольный пласт (6), при этом воздействие осуществляют при подъеме источника (4) плазменно-импульсного воздействия от подошвы до кровли газоносного нерабочего пласта-спутника (9). Плазменно-импульсное широкополосное периодическое воздействие на газоносные нерабочие пласты-спутники (9) приводит к образованию в нем аномальной сети микротрещин и переводом максимального объема метана в свободное состояние. При необходимости повторного плазменно-импульсного широкополосного периодического воздействия на газоносные нерабочие пласты-спутники (9) источник опускают на глубину, соответствующую подошве газоносного нерабочего пласта-спутника (9), после чего источник (4) поднимают до его кровли.

После плазменно-импульсного широкополосного периодического воздействие на газоносные нерабочие пласты-спутники (9) осуществляют плазменно-импульсное широкополосное периодическое воздействие на перекрывающие проницаемые взрывоопасные породы. Плазменно-импульсное широкополосное периодическое воздействие на перекрывающие проницаемые взрывоопасные породы осуществляют аналогично (с теми же параметрами) раскрытым выше плазменно-импульсным широкополосным периодическим воздействиям, при этом воздействие осуществляют при подъеме источника (4) плазменно-импульсного воздействия от подошвы до кровли перекрывающей проницаемой взрывоопасной породы. Кроме того, плазменно-импульсное широкополосное периодическое воздействие на перекрывающие проницаемые взрывоопасные породы можно осуществлять от забоя скважины до кровли перекрывающей проницаемой взрывоопасной породы. Плазменно-импульсное широкополосное периодическое воздействие на перекрывающие проницаемые взрывоопасные породы приводит к образованию аномальной сети микротрещин и увеличением проницаемости по породе при одновременном закрытии пор за счет освобождения легкой фазы, что приводит к упрочнению перекрывающей породы. При необходимости повторного плазменно-импульсного широкополосного периодического воздействия на перекрывающие проницаемые взрывоопасные породы, источник (4) опускают до подошвы взрывоопасные породы, после чего прибор поднимают до кровли перекрывающей проницаемой взрывоопасной породы (9).

После проведения плазменно-импульсных воздействий на рабочие угольные пласты (2), пласты-спутники (9) и перекрывающие проницаемые взрывоопасные породы, источник (4) плазменно-импульсных воздействия извлекают из скважины и проводят геофизические исследования, для определения уровня жидкости в скважине после воздействия.

Затем опускают глубинно-насосного оборудования в скважину. При помощи глубинно-насосного оборудования осуществляют съем чистого метана через затрубное пространство скважины из рабочего пласта (2), пласта-спутника (9) и взрывоопасной проницаемой перекрывающей породы. Жидкость поднимается по насосно-компрессорным трубам на поверхность, а метан за счет энергии дегазируемого угольного пласта по затрубному пространству обсадной колонны в скважине поднимается на поверхность, где утилизируется. За счет откачки понижается уровень жидкости в скважине. В результате снижения уровня жидкости давление в угольном пласте понижается, метан начинает десорбировать из угольного массива в созданные микротрещины и фильтроваться к скважине. К скважине идет фильтрация жидкости и метана из угольного пласта. За счет выхода метана из угольного массива снижается природная газоносность угольного пласта. Происходит процесс заблаговременной дегазации. Когда угольный комбайн под землей подходят к стволу скважины, поднимается глубинно-насосное оборудование.

Обсадку стальными колоннами (10) осуществляют от устья до уровня в скважине, перекрывающего водоносный горизонт породы не менее чем на 30 метров или до кровли рабочего угольного пласта.

Обсадку перфорированными стеклопластиковыми колоннами (6) осуществляют от металлической колонны до забоя скважины.

Бурение скважин осуществляют на 60 м ниже подошвы рабочего угольного пласта (2) или прилегающего пласта-спутника (9).

Стеклопластиковые колонны (6) соединены со стальными колоннами (10) через переходник (11).

Плазменно-импульсное воздействие на рабочий угольный пласт (2) или пласт-спутник (9) осуществляют от подошвы до кровли соответствующего пласта.

Плазменно-импульсное воздействие на перекрывающие проницаемые взрывоопасные породы осуществляют от забоя скважины до кровли породы.

Плазменно-импульсное воздействие осуществляют, по крайней мере, при одной спуско-подъемной операции.

Дегазацию угольных пластов осуществляют за 3-5 лет до подхода к стволу скважины угольного комбайна.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет заблаговременно повысить эффективность дегазации угольных пластов за счет повышения объема съема газа (метана) из угольного пласта, пласта-спутника и перекрывающей проницаемой взрывоопасной породы, повысить безопасность подземных работ.

Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для заблаговременной дегазации угольных пластов любой стадии метаморфизма, а также других полезных ископаемых, подлежащих или находящихся в разработке подземным (шахтным) способом. Техническим результатом изобретения является снижение времени дегазации угольных пластов, снижение безопасности при дегазации угольных пластов и повышение эффективности дегазации угольных. Способ заблаговременной дегазации неразгруженных и разрабатываемых угольных пластов, через скважины, пробуренные в куполах обрушения, включает бурение скважин в запланированных в шахте куполах обрушения с последующей обсадкой стальными колоннами с технологическими отверстиями и их цементированием ниже уровня водоносного горизонта; обсадку скважин перфорированными стеклопластиковыми колоннами ниже обсадной металлической трубы; плазменно-импульсное широкополосное периодическое воздействие нарабочие угольные пласты; плазменно-импульсное широкополосное периодическое воздействие на газоносные нерабочие пласты-спутники; плазмено-импульсное широкополосное периодическое воздействие на перекрывающие проницаемые взрывоопасные породы; съем чистого метана через затрубное пространство скважины из рабочего пласта, пласта-спутника и взрывоопасной проницаемой перекрывающей породы. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ заблаговременной дегазации не разгруженных и разрабатываемых угольных пластов, через скважины, пробуренные в куполах обрушения, включающий следующие операции:

a) Бурение скважин в запланированных в шахте куполах обрушения с последующей обсадкой стальными колоннами с технологическими отверстиями и их цементированием ниже уровня водоносного горизонта;

b) Обсадка скважин перфорированными стеклопластиковыми колоннами ниже обсадной металлической трубы;

c) Плазменно-импульсное широкополосное периодическое воздействие на рабочие угольные пласты;

d) Плазменно-импульсное широкополосное периодическое воздействие на газоносные не рабочие пласты-спутники;

e) Плазменно-импульсное широкополосное периодическое воздействие на перекрывающие проницаемые взрывоопасные породы;

f) Съем чистого метана через затрубное пространство скважины из рабочего пласта, пласта-спутника и взрывоопасной проницаемой перекрывающей породы.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обсадку стальными колоннами осуществляют от устья до уровня в скважине, перекрывающего водоносный горизонт породы не менее чем на 30 метров или до кровли рабочего угольного пласта.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обсадку перфорированными стеклопластиковыми колоннами осуществляют от металлической трубы до забоя скважины

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что бурение скважин осуществляют на 60 м ниже подошвы рабочего угольного пласта или прилегающего пласта-спутника.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что стеклопластиковые колонны соединены со стальными трубами через переходник.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что плазменно-импульсное воздействие на рабочий угольный пласт или пласт-спутник осуществляют от подошвы до кровли соответствующего пласта в выбранных точках.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что плазменно-импульсное воздействие на перекрывающие проницаемые взрывоопасные породы осуществляют от подошвы до кровли взрывоопасной породы.

8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что плазменно-импульсное воздействие осуществляют, по крайней мере, при одной спуско-подъемной операции.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дегазацию угольных пластов осуществляют за 3-5 лет до подхода к стволу скважины угольного комбайна.