Есть решение!

Заблаговременная дегазация угольных пластов на новых физических принципах: объективная реальность


Инфографика в формате PDF >>>

Возможность обеспечения максимальной безопасности жизни шахтеров за счет заблаговременной дегазации угольных пластов обсуждается не одно десятилетие

Еще на выездном заседании правительства Российской Федерации в марте 2016 года в Новокузнецке «было предложено в обязательном порядке проводить заблаговременную дегазацию угольных пластов до безопасного уровня, при этом вопросы безопасности работы шахтеров ставить выше экономической целесообразности».

С тех пор проблема не потеряла своей актуальности. Более того, она требует скорейшего законодательного решения, в том числе — с использованием опыта зарубежных стран.

К примеру, в США и Австралии одним из основных условий для согласования разрешения на добычу угля подземным (шахтным) способом является проведение цикла мероприятий по заблаговременной дегазации. В результате в течение 20-25 лет метаноносность угольных пластов снижена до 8 м3/т, и каждая авария рассматривается как исключительный случай.

Руководители крупнейших угольных корпораций Китая также часто заявляют, что смотрят на добычу метана в первую очередь с точки зрения обеспечения безопасности труда шахтеров. Так, выступая на международной конференции в сентябре 2016 года в Тайюане (КНР), президент угольной корпорации «Цзинмэй» Хэ Тяньцай сообщил, что в результате применения гидроразрыва пласта (ГРП), бурения горизонтальных и многозабойных скважин за 8 лет удалось сократить число аварий на угольных предприятиях. Однако аварийность на шахтах Китая по-прежнему остается высокой.

Так, в 2018 году в Китае извлечено 7 миллиардов 240 тысяч м3 чистого метана, в то же время, только по официальной статистике, за этот период в КНР произошло 19 аварий, связанных с выбросом метана. Это заставило китайское руководство ужесточить требования к угледобывающим предприятиям по заблаговременной дегазации угольных пластов. В частности, перестали выдаваться лицензии только на добычу метана, а угольным компаниям предложено самим комплексно решать вопросы добычи метана и дегазации угольных пластов, что значительно повышает ответственность угольных предприятий за решение этой проблемы.

При анализе аварий, связанных с внезапными выбросами метана, угля и породы, возникает целый ряд вопросов.

Насколько изучен механизм возникновения данного явления? Почему применяемые традиционные методы борьбы с внезапными выбросами, а также внедренные в производство методы объективного сейсмоконтроля не всегда решают проблему внезапных выбросов (здесь достаточно вспомнить о трагедиях на шахте «Северная» в 2016 году и на шахте имени Тихова в 2019 году, не говоря уже о более ранних авариях на угольных шахтах Кузбасса)?

Руководитель Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор) Алексей Алешин неоднократно отмечал, что зачастую высокие риски обусловлены больше природными особенностями месторождений, чем технологическими процессами.

Основные физические представления о выбросах угля и газа предполагают, что газодинамические явления связаны в основном с расширением сжатого газа, накопленного в трещинах и порах угольного пласта, и метана, выделяющегося при десорбции.

Однако свободный газ в трещинах и порах, и газ, сорбированный на их стенках, а также на частицах раздробленного угля, составляет не более 10% от общего содержания во взрывоопасных угольных пластах, и этого количества недостаточно, чтобы произвести выброс угля и газа в таких масштабах, которые бывают в шахтах. Основную роль в процессах выброса, вероятно, играет газ, находящийся в угле в растворенном виде, отмечают исследователи. Вопрос выделения этого газа в свободное состояние без направленного принудительного воздействия остается дискуссионным. В то же время совершенно очевидно, что столь мощную разрушительную работу может совершать только свободный газ.

По крайней мере это объясняет низкую эффективность технологий по заблаговременной дегазации, привнесенных из нефтегазовой промышленности, таких как ГРП, бурение горизонтальных, комбинированных и многозабойных скважин, о чем свидетельствуют аварии в Китае, где активно используются подобные методы борьбы с внезапными выбросами.

Возможно, дело здесь в том, что угольная залежь и метан угольных пластов по геологическим, геомеханическим, геодинамическим, физическим, физико-химическим и другим свойствам не имеют ничего общего с метаном, содержащимся в нефтегазовых залежах. Следовательно, для поиска эффективных методов борьбы с неожиданными выбросами требуется совершенно иной научно-технологический подход.

Угольную залежь в общем виде можно представить как сложнопостроенную многослойную структуру природного композита, содержащую нелинейную диссипативную динамическую систему, вид и свойства которой определяются самой системой, и которая при определенных условиях склонна к самоорганизации, в результате которой возникают газодинамические явления.

Спонтанная самоорганизация, где движущей силой является энергия свободного газа и энергия упругого деформирования, ведет к весьма тяжелым последствиям в шахтах.

Для поиска решений по вопросам борьбы с этими явлениями вполне уместно рассматривать газодинамические явления в угольной залежи с позиций теории самоорганизации сложнопостроенных природных динамических систем, которая изучает условия их устойчивости, природу неустойчивости и поведение систем вдали от термодинамического равновесия. Немецкий физик Герман Хаген назвал эту теорию «Синергетика».

На основе этой теории ученые Института физики прочности и материаловедения СО РАН, проводившие исследования на углях Кузбасса на мезоуровне, обнаружили масштабную инвариантность (фрактальность) пространственных и временных свойств. «Особенностью фракталов является пространственное самоподобие всей системы, формирующее закон наращивания масштабов локализации деформационных процессов, а за процесс локализации отвечает сформировавшаяся фрактальная пространственная сетка устойчивых резонансных возмущений путем отбора соответствующих частот из общего спектра возмущений. Поскольку явления носят локальный характер, то и события будут иметь локальный характер, не затрагивая систему в целом.

Уголь, как и любая природная сложнопостроенная динамическая система, чувствителен к малым величинам и эффектам, которые, будучи задействованными вовремя, играют роль спускового механизма, запускающего в действие скрытые энергетические резервы, позволяют управлять процессами самоорганизации, направляя их желательным образом, а «накопление малых возмущений (в угле) является существенным фактором эволюции геологической структуры».

Важной особенностью угля является то, что он разрушается не при приложении нагрузки, а при ее снятии. При этом единство уголь–вода–газ представляют собой трехфазную динамическую систему, в которой при приложении растягивающих напряжений возникает эффект Петра Ребиндера: потеря механической устойчивости ведет к переходу газа из сорбированного и растворенного в угле (из закрытых пор) состояния в свободное состояние. В свободном состоянии в результате гидроакустической эрозии (массовой кавитации) он начинает разрушать уголь. Единственным механизмом, способным диспергировать уголь, является взрыв пузырьков газа.

«Синергетический эффект», как оказалось, можно искусственно инициировать с помощью разработанного идеального, нелинейного плазменно-импульсного источника направленных, управляемых, периодических возмущений (технология ПИВ). Описание источника, его возможностей и способ применения подробно изложены в публикациях ряда авторов. Составляется план воздействия, согласно которому угольный пласт условно делится на фракталы от 0,25 до 0,5 метра в зависимости от мощности пласта и его геолого-технических характеристик. Плазменно-импульсный излучатель источника возмущений на геофизическом кабеле спускается в заранее перфорированную эксплуатационную колонну, которая вывешивается на устье скважины. Излучатель позиционируется против фрактала, и, по команде оператора, по периодическому принципу инициируются многократные одинаковой силы широкополосные растягивающие и сжимающие периодические напряжения. В соответствии с законом наращивания масштабов локализации деформационных процессов, во фрактале угольного пласта происходит накопление малых возмущений, в результате эволюции геологической структуры возникает вторичная проницаемость. Природные трещины соединяются в единую фильтрационную сеть, газ освобождается из закрытых пор, что приводит к тепломассобмену и гидроакустической эрозии. То есть освобожденные пузырьки газа сами начинают инициировать ударные волны. Поскольку сигнал подается периодический и широкополосный, формируется пространственная фрактальная сетка устойчивых резонансных возмущений за счет отбора соответствующих частот из широкополосного сигнала, которая каждый раз будет иметь локальный характер.

Подобная операция проводится за один спуск-подъем против каждого фрактала, что приводит к развитию вторичной проницаемости по всей мощности пласта и синергетическому эффекту, когда в работе принимают участие не только растягивающие и сжимающие напряжения, но и сама среда.

После завершения воздействия в скважину опускается электровинтовой насос (УЭВН), задача которого отобрать воду из пласта, сформировать депрессионную воронку и заставить газ, как наездника, вместе с водой фильтроваться к скважине, в которой газ отделяется от воды и по затрубному пространству в больших объемах извлекается из пласта. При этом депрессионная воронка по мере отбора воды постоянно расширяется и достигает в диаметре 250-500 метров.

После проведения научно исследовательских работ, стендовых испытаний и микросейсмических исследований технология плазменно-импульсного воздействия внедрена в опытно-промышленное производство на шахте «Ерунаковская-VIII» на пластах 48 и 45 в контуре будущей лавы 48-9.

12 скважин бурились последовательно в 2017-2019 годах на расстоянии 120 метров друг от друга, в результате чего сформирована общая депрессионная воронка, где все скважины связаны между собой единым фильтрационным процессом. Метан концентрацией 97,41% ежесуточно извлекается в больших объемах — в среднем 1,5-2 м3/мин. К настоящему времени извлечено более 10 миллионов м3 метана, при этом к началу горных работ (2022 год) предполагается извлечь более 30 миллионов м3 метана.

Однако в ходе выполнения опытно-промышленных работ при построении гидродинамической и геологической 3D-моделей (МГУ имени Ломоносова), выяснилось, что из-за геологических особенностей угольной залежи фильтрация воды и газа к скважинам идет неравномерно. Например, между высокодебитными скважинами А7 и А9 (более 2 м3/мин) скважина А8 работает с дебитом, не превышающим 0,6-0,8 м3/мин. Как показали 3D-модели, она находится в аномальной слабопроницаемой зоне, и, следовательно, в зоне ее фильтрации остаются целики, насыщенные газом.

Кроме того, скважины, пробуренные в 2019 году, попали в зону больших горных нарушений, склонных к спонтанной разгрузке. Так, скважина А13 находится в разломе и работает без притока жидкости с дебитом более 2 м3/мин, с тенденцией к увеличению объема извлекаемого газа. Скважины А14 и А16 после 3-месячного и 6-месячного срока эксплуатации остановлены на ремонт, поскольку возникли подозрения на спонтанную разгрузку породы, что привело к нарушению эксплуатационных колонн, и газ извлекается через водяную линию, минуя затрубное пространство. Исключение составила скважина А15, находящаяся на расстоянии от соседних скважин по 120 метров, которая работает в штатном режиме с постоянным притоком воды и газа с дебитом метана 1,2-1,3 м3/мин.

Согласно исследованиям Института физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск), задержка деформаций и накопление потенциальной энергии в условиях газоносного угольного пласта с пониженной прочностью приводят к формированию потенциально опасной по выбросам угля и газа зоне, а при высокой прочности угля и вмещающих пород — к потенциальной опасности горного удара.

С учетом очевидной аномалии горных пород предлагается провести наклонно-направленное бурение скважин по технологии «Long drilling» станками VLD-1000 с поверхности или из горной выработки в зоны разгрузки скважин, обратив особое внимание на депрессионные зоны А8; А13-А16, что позволит ликвидировать целики газа и повысить уровень обеспечения безопасности работы шахтеров.

Обращаем ваше внимание еще на один немаловажный аспект обеспечения безопасной работы в шахтах — на заблаговременную дегазацию взрывоопасных вмещающих пород, сложенных, как правило, песчаниками. Наибольшую опасность представляет набухший газом влажный песчаник, модуль Юнга которого на порядок больше, чем у угля. Поскольку уголь и порода представляют собой природный композит, при приложении любой нагрузки возникают растягивающие напряжения. Если не ликвидировать газ из набухшего песчаника, то в точках фактического контакта песок–уголь при концентрации напряжений, согласно закону наращивания масштабов локализации деформационных процессов, при приложении любой, даже незначительной нагрузки, может возникнуть разрушение почвы с эффектом трения скольжения, что неизбежно приведет к взрыву и последующим автошокам через часы, сутки и даже месяцы. Песчаник в этом случае работает как пружина локальных дислокаций, и, пока он, согласно закону Гука, не разгрузится, выбросы будут продолжаться. О правомерности такого взгляда свидетельствуют многочисленные аварии с зависанием кварцесодержащей кровли и гибелью как шахтеров, так и горноспасателей.

С учетом изложенного предлагается для разгрузки взрывоопасных вмещающих пород использовать приведенную выше комплексную методику заблаговременной дегазации с помощью технологии ПИВ и наклонно-направленных удлиненных скважин, которые могут буриться как с поверхности, так и из горной выработки. Разгруженный песчаник, в соответствии с коэффициентом Пуансона, никогда не вернется в прежнее неустойчивое состояние и будет представлять прочную кровлю.

P.S.: В статье использованы исследования советских/российских ученых в области горного дела, геосистем, мезомеханики, нелинейной физики, геофизики и прикладной математики.

Сергей Ширяев, технический директор ПАО «Распадская угольная компания»

Петр Агеев, член-корреспондент МАНЭБ, директор по науке ООО «Георезонанс»,

Андрей Десяткин, к.г.-м.н., главный инженер проектов ООО «Георезонанс»


Вердер Сайнтифик 2021