Способ дегазации угольного пласта Советский патент 1988 года по МПК E21F7/00 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для снижения гаэообильности выемочных участков и повышения безо- пасности горных работ по газовому фактору.

Цель изобретения - повышение эффективности дегазации угольного ппас- та за счет предотвращения снижения эффективной длины скважин при их переваливании.

На фиг,1 приведена принципиальная схема расположения дегазационных скважин; на фиг.2 - схема возможных случаев переваливания скважин; на фиг.З - положение очистного забоя в момент отключения скважин.

Способ дегазации угольного ппаста осуществляют следующим образом

На участках с условиями, близкими к горно-геологическим условиям, в которых применяют данный способ дегазации, устанавливают эффективную дегазирующую массив длину скважин. Ш скольку на переваливание скважин оказывают влияние в основном прочность угля, величина горного давления диаметр скважин, то близкими по условиям являются участки одноименных пластов, отрабатываемых на глубинах, отличанмцихся не более, чем на 50 - 700 м, дегазируемых скважинами одинакового диаметра.

Наблюдения показывают, что пере- вапивание скважин продолжается в течение 7-14 сут после окончания их бурения. 1Ь)этому установление эффективной дегазирующей массив длины скважин выполняют по замерам, произведенным не ранее, чем через 14 сут после окончания их бурения.

с

5

О

0

5

7i - вероятность переваливаний единицы длины скважины, 1/м.

Величину Л можно определить также по табл.1, в которой на пересечении строк и столбцов приведены значения вероятности переваливания единицы длины скважины, являющиеся решением уравнения (1).

При определении эффективной длины скважин по средним И максимальным значениям дебита метана поступают следующим образом. В группе из 20-30 скважин определяют скважину с максимальным дебитом Ч(.м /мин) и подсчитывают среднее по группе значение дебита (1„,(). Среднюю эффективную длину скважин рассчитывают по формуле

4 «

Вероятность переваливания единицы ДЛИН1Ы скважины определяют либо решая графически или численно уравнения (1), либо по табл.1.

При наличии двух групп скважин разной ,щ1ины вероятность переваливания единицы длины скважины можно установить решая (численно или графически) уравнение

3i l-Z-SSEli: .)

q 1 - exp(-W2.)

(3)

где q,, Чг средний дебит скважин первой и второй групп соответственно, м /мии; 1, 1i - длины скважин первой и второй групп соответст-. венно, м.

I

Средннж) эффективную длину скважин .

первой группы определяют по формуле

Изобретение относится к горной промьппленности и может быть использовано для снижения газообильности выемочных участков. Цель изобретения - повышение эффективности дегазации угольного пласта за счет предотвращения снижения эффективной длины :скважин (С) при их переваливании.Для этого перед проведением С определяют эффективную дегазирующую массив длину С. Определяют вероятность переваливания единицы С и показатель, харак- теризукнций величину съема метана в расчете на единицу длины С. Расстояние между устьями группы скважин, параллельных очистному забою, определяют по математической формуле с учетом величины съема метана, длины лавы, мощности пласта, а также с учетом требуемого съема газа с 1 т угля, объемной массы угля, коэффициента трудоемкости способа дегазации, угла наклона к забою. В процессе отработки пласта столбами С, парал лельные очистному забою, отключают Ьт дегазационного трубопровода при подходе к ним зоны отжима. Ориентированные под углом к забою С -отключают от трубопровода в момент подхода зоны отжима к месту пересечения С этой группы границы зоны разгрузки пласта подготовительной выработкой, 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл. о (Л i4 09 СО 1чЭ О) 0

При определении эффективной длины скважин путем промеров длин подсчитывают среднюю эффективную длину сква- жин по группе из 10-15 скважин, а вероятность переваливания единицы длины скважины определяют из решения уравнения

|- И t .ехр( Л1), (1)

где I,-,- средняя эффективная длина

скважии, м; 1 - длина скважин на момент окончания бурения, м,

D -ехр(-П.)

(4)

а среднюю эффективную длину, скважин второй группы - по формуле

4,f { -ехр(-М,). (4)

Необходимо отметить, что последние два метода определения вероятности переваливания единицы длины С1 важи- ны и э4)фективной дегазирующей массив длины скважин можно использовать только на участках, дегазируемых известными способами, т.е. параллельными

забою лавы пластовыми скважинами или скважинами,развернутыми на забой,

Показатель В, , характеризуемый отношение суммарной эффективной длины скважин L5ф к длине выемочного столба L, по требуемому съему газа с 1 т угля находят из выражения

В , Та

m

X,

J - Чиа

1 т

, 1 т/м ;

где Ьд - длина лавы, м;

мощность пласта, м;

требуемый съем газа с

угля,

объемный вес угля,

суммарньй съем газа в рас- чете на единицу эффективной

длины скважины, м /м. Определяют значение произведения вероятности переваливания единицы длины скважины на высоту обуриваемой части выемочного столба () и по табл.2 находят значение коэффициента трудоемкости способа К при принятом из технологических соображений угле разворота ц скважин (фиг.1). Значения коэффициента К даны на пересечении строк и столбцов (табл.2). Задают значение коэффициента n/ni Т, определяющего отношение расстояний между устьями скважин 1 (фиг.1), параллельных очистному забою, и устьями скважин, развернутых на забой (рекомендуется принимать из удобства размещения буровых станков в вьфаботке и обеспечения равномерности сетки скважин ),

Определяют расстояние между скважинами, параллельными забою.

Rn

и между скважинами, развернутыми на 3 абой,

RH RnДлина скважин, параллельных забою, равна высоте обуриваемой части выемочного столба, а длину скважин, развернутых на забой 1ц, определяют по формуле

Исследования показывают, что переваливание скважины на всех ее участ

ы

10

15

20

25

как равновероятно. Вероятность переваливания участка скважины единичной длины Л зависит только от прочностных свойств угля, величины горного давления (глубины работ) и диаметра скважин и не зависит от ориентации скважин. Отношение суммарной длины скважин к длине выемочного столба характеризует удельный объем бурения В, т.е. трудоемкость буровых работ при дегазации пласта, а отношение суммарной эффективной длины скважин к длине выемочного столба характеризует при фиксированных фильтрационных свойствах пласта эффективность работ I по дегазации. Следовательно, для достижения заданной эффективности дегазации необходимо обеспечить определенное значение ,. Таким образом, при фиксированных горно-геологических условиях способ дегазации пласта характеризуется двумя величинами:

R - L L

R -

i L;.

где L L

сг

суммарная длина скважин, м; длина выемочного столба, MJ суммарная эффективная длина скважин, м.

35

40

Отношение суммарной длины скважин к их суммарной эффективной длине, характеризующее необходимость выполнения дополнительного объема буровых работ из-за переваливания скважин, назьшают коэффициентом трудоемкости способа дегазации

(6)

К г45

t

или

(7)

к.

Эф

50

В способе дегазации, принятом за прототип, коэффициент К определяют по формуле

К 1-I-§B L( 1

55

где 1 - вероятность переваливания единицы длины скважины, /м; длина скважины, м.

1 Для современных условий отработки пластов величина К может достигать 1,5-8.

Скважины 1 (фиг.1) служат источниками роста вертикальных трещин, перекрестные скважины 2 - источником связи пересекающихся трещин. В связи с этим в предлагаемом способе переваливание скважины не обязательно приводит к уменьшению ее эффективной дайны. На фиг.2 представлены возможные случаи переваливания скважин. Переваливание скважины 2 в пункте S не приводит к снижению эффективной длины скважины, так как расположенньй за местом переваливания участок скважины 2 не теряет аэродинамической связи с дегазационным газопроводом 3

благодаря аэродинамической связи, от- 20 стенки этих скважин сами являются засеченной от устья части скважины 2 с перекрестными к ней скважинами 1.

Уменьшение эффективной длины возможно только при переваливании всех отрезков скважин в окрестности точки 25 дит к развитию трещин вблизи устья

родышами трешцн, а также вследствие возможности смещения и разгрузки массива в полость скважины. Это вызывает рост газовыделения в скважину и привопересечения их проекций (фиг.2, перевалены все отрезки скважин, перекрещивающиеся в окрестности точки О) и при переваливании одного отрезка

скважины в двух местах (отрезок сква- 30 отключение параллельных забою скважин жины M,N,, фиг.2, потерял аэродинами- при образовании трещин вдоль них в

зоне опорного давления и отсос газа из этих скважин и трещин через развернутые на забой лавы скважины, 35 Образованга 1е трещины являются транс- портныьш каналами, с которыми соединены скватсины, развернутые на очистной забой, благодаря чему обеспечивается эффективная передовая дегаза-. скважин в окрестности точки пересече- 40 ция пласта, снижаются потери вакуума. ния их проекций можно не принимать Образование трещины вдоль парал- iso внимание. Поэтому уменьшение эффективной длины скважин при их перекрестном расположении происходит за счет переваливания отрезков скважин j в двух местах. Поскольку вероятность

ческую связь с газопроводом 3 и эффективная длина скважины 1 уменьшилась на величину отрезка M,N,).

Расчеты показывают, что реализация первого из указанных двух случаев крайне маловероятна и возможность уменьшения эффективной длины скважин за счет переваливания всех отрезков

лельной забою скважины надежно фиксируется по росту газовьщеления в скважину. Исследования показывают, что 45 обычно рост газовьщелеиия в скважину начинается на расстоянии 10-15 м впереди забоя лавы, а на пластах с трудное брушаемыми кровлями расстояние может увеличиваться до 20-25 м.

переваливания отрезка скважины в двух местах довольно мала, то предлагаемый способ дегазации обеспечивает

равную с известным суммарнзпо эффектив-50 После резкого всплеска газовыделеную длину скважин при значительно . меньшем объеме буровых работ.

Вероятность переваливания скважин растет с их длиной. Поэтому степень дегазации пласта уменьшается по мере удаления от выработки, из которой выполнялось бурение. Так как в предлагаемом способе дегазации вероятность потери отрезкам скважины аэродинамической связи с газопроводом не зависит от местоположения отрезка, то обеспечивается примерно одинаковая

степень дегазации всей обуренной части пласта. Кроме того, даже те участки пласта, которые расположены вблизи нефункционирующего отрезка скважины, эффективно дегазируются двумя

скважинами, перекрещивающимися с

этим отревком. Таким образом, способ дает возможность повысить эффективность дегазации.

В зоне опорного давления впереди

забоя лавы вследствие превышения напряжений сжатия прочности угля происходит трещинообразование. Особенно интенсивно оно идет вдоль параллельных забою скважин, поскольку разрушенные

стенки этих скважин сами являются задит к развитию трещин вблизи устья

родышами трешцн, а также вследствие возможности смещения и разгрузки массива в полость скважины. Это вызывает рост газовыделения в скважину и привоскважинЫр нарушению герметизации и неэффективному использованию подводимого к устью скважины вакуума. В связи с указанным способ предусматривает

зоне опорного давления и отсос газа из этих скважин и трещин через развернутые на забой лавы скважины, 35 Образованга 1е трещины являются транс- портныьш каналами, с которыми соединены скватсины, развернутые на очистной забой, благодаря чему обеспечивается эффективная передовая дегаза-. 40 ция пласта, снижаются потери вакуума. Образование трещины вдоль парал-

лельной забою скважины надежно фиксируется по росту газовьщеления в скважину. Исследования показывают, что 45 обычно рост газовьщелеиия в скважину начинается на расстоянии 10-15 м впереди забоя лавы, а на пластах с трудное брушаемыми кровлями расстояние может увеличиваться до 20-25 м.

ния в зоне отжима отмечается быстрое падение количества каптируемого скважиной метана вследствие нарушения ее герметизации, нарастания подсосов воздуха в дегазационную сеть у устья скважины и снижения эффективности влияния вакуума на удаленные от устья участки скважины.Подведение иакуума к указанньт удален

7

ным участкам скважин, параллельных забою через развернутые на забой скважины, позволяет исключить отрицтельные последствия образования трещин вблизи устьев параллельных забо скважин в зоне опорного давления.

В скважину I (фиг.1 и 3), пробуренную параллельно очистному забою, благодаря ее аэродинамической снязи со скважинами 2, развернутьши на забой, интенсивно мигрирует метан из призабойной части пласта. За счет этого концентрация метана в смеси, каптируемой скважиной, остается достаточно высокой вплоть до момента разрушения ее устья в зоне опорного давления. Следовательно, скважину, параллельную забою, можно отключать от дегазационного газопровода тогда когда расстояние от нее до очистног забоя станет равным ширине зоны отжима

Концентрация метана в смеси, каптируемой скважиной, развернутой на забой, резко падает в тот момент, когда вся скважина оказьшается в зоне, разгрз енной от горного давления очистной и подготовительной выработками, Трещиноватость этих зон максимальна, а газоопасность мала, чем и объясняется падение концентрации метана в смеси и полезность отключения скважины от газопровода

j 1 Г sint + - I - sinj.j + exp(-Xh) Sinq + -IL-I R, nosto

B,p cosif

2 (Kr/n B cosCf

n

1

IIsincf + + i |l + exp(

- Bg sintp costf

-Xh

sinCf + i| - угол разворота скважин по отношению к оси выработки, град;

h - высота обуриваемой части вые- мочного столба, м;

А - вероятность переваливания единицы длины скважины 1/м;

при подходе зоны отжима к месту пересечения скважиной границы зоны разгрузки пласта подготовительной выработкой.

На фиг,3 показаны положения забоев 4 и 4 в моменты отключения от газопровода 3 соответственно скважины 1 и 2, Скважины 1, параллельные забою лавы, отключают их от газопровода при образовании трещин вдоль параллельных забою скважин в зоне опорного давления (положение забоя лавы 4), а скважины 2, проведенные с разворотом, отключают в момент подхода зоны отжима (положение забоя лавы 4) к месту пересечения скважиной границы зоны разгрузки пласта подготовительной выработкой. Ширина зоны отжима обозначена буквой у и измеряется от линии забоя лавы до границы зоны 5 отжима. Ширина зоны разгруз- ки пласта подготовительной вырабо т- кой, из которых пробурены скважинь5 1 и 2, обозначена буквой у. и измеряется от стенки вьфаботки до границы зоны 6 разгрузки.

Коэффициент К, равный отношению 30 объема бурения к эффективной длине скважин, в предлагаемом способе дегазации (фиг,1) является решением уравнения

R, nosto

B,p cosif

sinCf + - 1 - exp()

-I B,coscf J

l-exp(- ;ih

SinCf 4- n

K sinifcosq

5

п - отношение расстояний между устьями скважин, пробуренных с разворотом на очистной забой, к расстоянию между скважинами,

L, параллельными очистному забою (и

Ri).

В - отношение суммарной эффектив- ной длины скважин к длине выемочного столба, определяемое исходя из необходимой эффективности дегазации (В,

Lgtp/Lf.

Решение этого уравнения для определения коэффициента трудоемкости спосо f

ба дегазации К,- выполнено численным методом на ЭВМ.

Анализ результатов показывает, что минимальные значения К соответствуют значениям п, большим или разным единице, однако зависимость Ку, рт п весьма слабая. Поэтому значения п целесообразно принимать равными единице, что обеспечивает одновременно со снижением объема бурения повышение равномерности сетки скважин. Выбор является не обязательным, но желательным, целесообразно выбирать и целым, чтобы с одной установки бурового станка можно бурить скважины t и 2,

Зависимость коэффициента К от угла разворота скважин по отношению к оси вьфаботки, так же как и от произведения вероятности переваливания единицы длины скважины и высоты обу- риваемой зоны выемочного столба, приведена в табл,2 (значения коэффициентов К даны на пересечении строк и столбцов таблищ 1) .

С уменьшением угла разворота сква жины значение коэффи1щента убьшает, зависимость К от if является доста-х точно слабой и угол разворота можно принимать исходя из технических возможностей Наиболее рациональные угл разворота находятся в пределах 45-6 при углах разворота меныаих 45, длина скважин увеличивается настолько, что бурение их в ряде случаев, становится затруднительным, а при

углах больших 65, коэффициент К на чинает заметно возрастать.

Расстояние между устьями скважин, параллельных забою, определяют по формуле

h вшц + 81ПЦ)

а расстояние между устьями скважин, §8 развернутых на очистной забой.по формуле

R, hRn ,

5

0

5

5 0 5

0

0

8

Значения вероятности переваливания единицы длины скважины, необходимые для определения параметров дегазации, устанавливают по результатам определения эффективной дегазирующей массив длине скважин, пробуренных на участках с горно-геологическими условиями, близкими к горно-геологическим условиям участков, дегазируемых по предлагаемому способу.

Эффективную дегазирующую массив длину скважин устанавливают либо - выполняя промеры длин скважин, либо сопоставляя средние и максимальные значения газовыделения из скважины. Кроме того, вероятность переваливания единицы длины скважины можно определить по замерам дебита из двух групп скважины разной длины (последние два метода мэжно использовать, если замеры производят на участках, дегазируемых известными способами).

Значения В -определяют по величинам объема метана в расчете на единицу эффективной длины скважины.

Отключение от газопровода скважин, разверн гтых на забой, производится при подходе забоя к месту пересечения скважиной границы зоны разгрузки пласта выработкой. Соответствующее этому расстояние от забоя до устья скважины определяется из выражения

У Уо У4 21,5 м,

Формула изобретения

1, Способ дегазации угольного пласта, включающий проведение группы скважин, параллельных.очистному забою j и группы скважин, ориентированных под углом к забою и перекрещива- ювщхся с группой параллельных забою скважин, подключение скважин к дегазационному трубопроводу и отсос газа, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности дегазации угольного пласта за счет предотвращения снижения эффективной длины скважин при их переваливании, . перед проведением скважин определяют эффективную дегазирующую массив длину скважины, вероятность переваливания единицы длины скважины и показатель, характеризующий величину съема метана в расчете на единицу эффективной длины скважины, и с.уче-т том указанных параметров определяют

111439266

расстояние между устьями группы сквапараллельных очистному забою, едующего математического выраже

R.

h

кГв

- п

)

sin

Ч

де R,

В

9

-расстояние между устьями скважин, параллельных очистному забою, м;

-высота обуриваемой части выемочного столба, м;

-безразмерный показатель,

характеризующий величину съема метана в расчете на единицу эффективной длины скважины, определяемый из выражения

N

I 2

чете на единицу эффективной длины скважины,, м /м; К - коэффициент трудоемкости

способа дегазации; Cf - угол наклона скважин к .

забою; п - коэффициент, определякхций

отношение расстояний между устьями параллельных забою

скважин и скважин, ориентированных под углом к забою при этом расстояние R между устьями скважин, ориентированных под углом к очистному забою, определяют из выражения

RH n-Rn 2, Способ по п.1, о т л и ч а ю - щ и и с я тем, что в процессе отра- ботки пласта столбами скважины, пааллельные очистному забою отключают от дегазационного трубопровода при подходе к ним зоны отжима, а скважи1,952 1,656 1,491 1,385 1,312 1,259 1,219 1,163 1,126 1,082 1,057 6&

ТаОлниа2

XX

P X X

i .2

/

N

l

K.,

R.

M Фие. i

Фие. 2

Фиг.Ь