Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова

Обґрунтування параметрів фільтрації метану із підробленого вуглепородного масиву свердловини

05.15.09 - "Геотехнічна і гірнича механіка"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Гуня Дмитро Петрович

Дніпропетровськ - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України та на Орендному підприємстві "Шахта ім. О.Ф. Засядька".

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

Звягільський Юхим Леонідович,

Верховна Рада України, народний депутат України (м. Київ).

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Мінєєв Сергій Павлович,

Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України, старший науковий співробітник відділу керування динамічними проявами гірничого тиску (м. Дніпропетровськ).

кандидат технічних наук

Касімов Олег Іванович,

Державний Макіївський науково-дослідний інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості Міністерства вугільної промисловості України, старший науковий співробітник (м. Макіївка)

Захист відбудеться 19 грудня 2008 р. о 13³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.188.01 при Інституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а. Факс: (0562) 46-24-26

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а.

Автореферат розісланий 12 листопада 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук В.Г. Шевченко

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Вугілля є основним енергоносієм в Україні, який забезпечує її потреби як по розвіданим запасам, так і по видобутку. Програмою "Українське Вугілля", затвердженою Постановою Кабінету Міністрів України від 19 вересня 2001 р. № 1205 передбачається збільшити обсяги видобутку вугілля в 2010 р. до 110 млн. тонн, а до 2030 року до 120-125 млн. тонн на рік. Збільшення обсягів видобутку вугілля планується, в основному, за рахунок інтенсифікації видобувних робіт. Так, якщо в 2001 році всього 20 шахт працювали з навантаженням більше 1 млн. тонн на рік і видобуто 83,4 млн. тонн вугілля, то в 2010 році планується мати 40 шахт із видобутком більше 1 млн. тонн на рік. Із збільшенням навантаження на очисні вибої збільшується емісія метану, що потребує інтенсифікації дегазаційних заходів, зокрема застосування методів комплексної дегазації шляхом буріння дегазаційних свердловин, як із гірничих виробок, так і з поверхні.

Раптові виділення і небезпечні скупчення метану приводять до крупних аварій, вибухів і пожеж, наносять значну економічну утрату, створюють напружені соціальні умови, погіршують екологічний стан вуглевидобувних регіонів. Існує необхідність забезпечення ритмічної безаварійної роботи шахти в умовах інтенсивного газовиділення внаслідок динамічної дії гірничими роботами на вугільний пласт і прилеглий масив гірських порід.

Ресурси метану у вугільних пластах і газоносних породах Донбасу по оцінках вітчизняних і зарубіжних фахівців перевищують 25 трлн. м³ і залучення вугільного метану в паливно-енергетичний баланс країни є нагальним питанням.

Світовою і вітчизняною практикою доведено, що підробка є ефективним способом стимуляції газовіддачі вуглепородного масиву, який дозволяє підвищити якість дегазаційних робіт і вести видобуток метану в промислових масштабах. Це стримується відсутністю науково-обґрунтованих методів оцінки видобувних запасів метану і визначення параметрів його фільтрації в підроблених вуглепородних масивах.

В зв'язку з цим встановлення закономірностей зміни параметрів фільтрації метану із підробленого вуглепородного масиву в свердловини є актуальною науковою задачею, що має важливе народногосподарське значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана автором відповідно до планів науково-дослідних робіт державних і галузевих програм, згідно Постанови Кабінету Міністрів України №1463 від 27.09.2000 р. "Про заходи по розвитку промислової здобичі метану на вугільних родовищах Донбасу", Постанов Кабінету Міністрів України № 939 від 06.07.2002 р. "Про затвердження Програми підвищення безпеки праці на вугільних шахтах" і №374 від 29.03.2006 р. "Про затвердження Програми підвищення безпеки праці на вуглевидобувних і шахтобудівних підприємствах", держбюджетної теми ИГТМ НАН України "Геолого-технічне обґрунтування закономірностей формування техногенних покладів метану в структурно-тектонічних зонах Донбасу" (№ держреєстрації 0107U001271), по якій автор є виконавцем.

Ідея роботи полягає у використанні залежностей параметрів фільтрації метану із підробленого вуглепородного масиву від гірничо-геологічних умов щодо їх обґрунтування та визначення.

Метою роботи є обґрунтування параметрів фільтрації метану із підробленого вуглепородного масиву в свердловини для визначення дебітів і обсягів його добування.

Для реалізації поставленої мети вирішувалися наступні завдання:

1. Вивчити механізм і умови формування розущільнених зон в підробленому вуглепородному масиві та визначити залежності між величинами його інтегральної порожнистості і інтегральної проникності.

2. Розробити методику розрахунку густоти добувних запасів метану в підробленому вуглепородному масиві і встановити закономірності зміни прогнозного коефіцієнта добування метану залежно від параметрів підроблення і деформаційних властивостей порід.

3. Установити закономірності зміни розмірів зони дегазації, коефіцієнта проникності масиву і дебіту свердловини, яка пробурена в підробленому вуглепородному масиві, залежно від глибини розробки, ширини виробленого простору, діаметра свердловини і градієнта тиску газу в масиві.

4. Розробити та впровадити методичні рекомендації визначення параметрів фільтрації метану із підробленого вуглепородного масиву в свердловини.

Об'єкт дослідження - процес фільтрації метану із підробленого вуглепородного масиву в свердловини.

Предмет дослідження - параметри фільтрації метану із підробленого вуглепородного масиву в свердловини.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених завдань використовувався комплексний метод досліджень, що включає методи математичного моделювання тріщинувато-пористих структур; методи розрахунку потенційних ресурсів метану, параметрів фільтраційних процесів і динаміки їх зміни в масиві, які базуються на основних положеннях механіки суцільних середовищ, теорії опорного тиску і фільтрації в гірських породах; експериментальні методи визначення газодинамічних параметрів шляхом вимірів газового тиску, дебіту і концентрації метану стандартними приладами; обробка отриманих результатів методами математичної статистики.

Наукові положення, які захищаються автором:

1. Інтегральна проникність підробленого вуглепородного масиву знаходиться в логарифмічній залежності від його інтегральної ефективної порожнистості, коефіцієнт якої рівний сумі коефіцієнтів ефективної пористості і ефективної тріщинної порожнистості; при збільшенні коефіцієнта інтегральної ефективної порожнистості на 1 %, починаючи від 5,06 %, величина інтегрального коефіцієнта проникності збільшується в 2,94 рази.

2. Прогнозний коефіцієнт добування метану із підробленого вугільного або породного пласта зменшується прямо пропорційно величинам їх деформаційних характеристик та збільшенню відстані до відробленого пласта і зростає по параболічному закону при збільшенні вийманої потужності пласта.

3. Дебіт дегазаційної свердловини, пробуреної в підробленому вуглепородному масиві, знаходиться в прямо пропорційній залежності від градієнта тиску газу в ньому, ширини виробленого простору, діаметра свердловини, глибини розробки і розраховується по залежності, отриманій на основі характерних закономірностей зміни фільтраційних параметрів масиву.

Наукова новизна отриманих результатів:

вперше запропоновані показники фільтраційних властивостей підробленого вуглепородного масиву - його інтегральна ефективна порожнистість і інтегральна проникність, встановлено їх взаємозв'язок і дані розрахункові методи їх визначення;

отримані аналітичні залежності для розрахунку добувних запасів метану в підробленому вуглепородному масиві, які враховують його фізико-механічні властивості і параметри підроблення;

вперше введено поняття та розроблений прогнозний коефіцієнт добування метану, який дорівнює відношенню питомої кількості метану, яка може бути добута із вугільних або порідних пластів, що підробляються, до їх природної газоносності.

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей зміни параметрів фільтрації метану залежно від умов підробки: глибини розробки, вийманої потужності вугільного пласта, розмірів виробленого простору, характеристик геологічного розрізу, а також від стану і властивостей газу, вугілля і порід підробленого вуглепородного масиву.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

розроблена методика розрахунку добувних запасів метану в підробленому вуглепородному масиві;

розроблені методичні рекомендації визначення параметрів фільтрації метану із підробленого вуглепородного масиву в свердловини: коефіцієнтів проникності і фільтрації, очікуваного дебіту свердловини, прогнозного коефіцієнта та обсягів добування метану;

розроблений галузевий стандарт: СОУ 10.1.05411357.007: 2007 "Техногенні скупчення метану у порушеному вуглепородному масиві. Методика прогнозування зон підвищеної газонасиченості та визначення їх параметрів";

показаний приклад доцільності і економічної ефективності добування метану із підробленого масиву при його утилізації в газопоршневих установках.

Методика розрахунку добувних запасів метану в підробленому вуглепородному масиві і методичні рекомендації визначення параметрів фільтрації метану із підробленого вуглепородного масиву в свердловини використовуються на шахті ім. О.Ф. Засядька при визначенні характеристик дегазаційних свердловин, пробурених в породах покрівлі пласта m₃. Розроблений галузевий стандарт: "Техногенні скупчення метану у порушеному вуглепородному масиві. Методика прогнозування зон підвищеної газонасиченості та визначення їх параметрів" затверджений наказом Мінвуглепрому України від 24.10.2007 р. № 469 і зареєстрований ДП УкрНДНЦ 31.10.2007. №32595752/1611 як нормативний документ для підприємств вугільної промисловості України.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно запропонована ідея роботи, поставлена мета і завдання досліджень, отримані і сформульовані основні положення і висновки. Він брав безпосередню участь в плануванні досліджень, виборі ділянок і проведенні дослідно-промислових експериментів, в розробці методик, рекомендацій та СОУ. Основні висновки, що стосуються параметрів фільтрації метану у вуглепородному масиві, автором зроблені самостійно. Текст дисертації викладений ним особисто.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи докладалися і дістали схвалення на III і IV міжнародних науково-практичних конференціях "Метан вугільних родовищ України" (Дніпропетровськ, 2004, 2006), на міжнародній конференції "Форум гірників" (Дніпропетровськ, НГУ, 2005), на XIV міжнародній науковій школі імені академіка С.О. Христиановича "Деформація і руйнування матеріалів з дефектами і динамічні явища в гірських породах і виробках" (Сімферополь, 2004), на науково-технічних радах шахти ім. О.Ф. Засядька, на наукових семінарах у відділі геології вугільних родовищ великих глибин ІГТМ НАН України.

Публікації. Основні результати досліджень опубліковані в 15 наукових працях. З них 10 публікацій в спеціалізованих виданнях, 2 патенти України, 1 галузевий стандарт.

Структура і об'єм роботи. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, висновків і 6 додатків. Робота викладена на 193 сторінках, містить 28 рисунків, 21 табл., а також список використаних джерел з 117 найменувань.

Основний змiст роботи

У першому розділі обґрунтовано стан проблеми добування та утилізації шахтного метану, викладено мету та завдання досліджень. Теперішнім часом на шахтах Донбасу добування метану із підробленого вуглепородного масиву здійснюється з метою його дегазації, яка дозволяє поліпшити умови праці, підвищити навантаження на очисний вибій та підвищити видобуток вугілля. Нормативними документами передбачена дегазація вугільних пластів та порід підземними свердловинами та свердловинами, пробуреними з поверхні.

метан фільтрація вуглепородний масив

Підземна дегазація проводиться шляхом буріння дегазаційних свердловин по вугільному пласту, у покрівлю чи підошву вугільного пласта, підключення їх до шахтної дегазаційної системи, з'єднаної з вакуумними насосами, для відкачки метану.

Дегазація підроблюваних вугільних пластів та порід свердловинами, пробуреними з поверхні, застосовується для забезпечення необхідної її ефективності або у випадках, коли утилізація каптованого метану окупає затрати на спорудження свердловин. Свердловини не добурюють до вугільного пласта на відстань не більше десяти його вийманих потужностей. До початку 90-х років такі свердловини обсаджувалися, але не цементувалися. Газ довільно витікав із них у процесі розробки вугільного пласту, при переході лави під вибоєм свердловини. У деяких випадках, при слабких припливах газу свердловини підключалися до наземних вакуумних установок, у тому числі пересувних (шахта "Суходольська Східна"). Відсутність герметизації на таких свердловинах не дозволяла вилучати газ з концентрацією метану більш 30 %. З початку 90-х років дегазаційні свердловини, пробурені з поверхні, кріпилися обсадними трубами, виконувалася цементація позатрубного простору обсадних труб, нижня частина свердловини обладналася фільтром. Така конструкція свердловин дозволила підвищити концентрацію метану до 80-99 %. Однак, дегазаційні свердловини, пробурені з поверхні, не завжди виявлялися ефективно працюючими. Наприклад, на шахті ім. О.Ф. Засядька приблизно 30 % пробурених з поверхні свердловин для дегазації вугільного пласта m₃, не здійснили дегазацію. Причиною неефективної роботи свердловин є відсутність методик розрахунку фільтраційних властивостей колектора, що містить метан, методики оцінки густоти запасів в підробленому та непорушеному вуглепородному масиві, методів прогнозу обсягів добування метану із підробленого вуглепородного масиву та обґрунтованих параметрів фільтрації метану для конкретних гірничо-геологічних умов.

У розвиток цих напрямків значний внесок зробили дослідники Макіївського науково-дослідного інституту (МакНДІ), Інституту гірничої справи (ІГС ім.О. О. Скочинського), Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова (ІГТМ) НАН України, Національного гірничого університету (НГУ) МОН України, Інституту проблем комплексного освоєння надр (ІПКОН), Східного науково-дослідного інституту (СхідНДІ), Донецького вугільного інституту (ДонВУГІ), Українського державного науково-дослідного і проектно-конструкторського інституту гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи (УкрНДМІ) НАН України, а також фахівці Центру альтернативних видів палива (ЦАВП), Укрвуглегеології, шахт та об'єднань з видобутку вугілля.

Але в працях названих інститутів не повно розкриті особливості параметрів фільтрації метану із підробленого вуглепородного масиву в дегазаційні свердловини.

Подальший розвиток робіт в цьому напрямку здійснюється в представленій дисертації, де обґрунтовуються основні параметри фільтрації метану із підробленого вуглепородного масиву в свердловини: густота добувних запасів метану в підробленому вуглепородному масиві; прогнозний коефіцієнт добування метану; тиск газу в недоторканому гірничому масиві; проникність підробленого вуглепородного масиву; дебіт свердловини та очікуваний обсяг добування метану.

У другому розділі виконано аналіз параметрів фільтрації метану із підробленого вуглепородного масиву в свердловини. Формування зон фільтрації метану в породах покрівлі пласта, який розроблюється, відбувається зі збільшенням площі виробленого простору. Після виймання вугілля відбувається обвалення несправжньої покрівлі, пласти безпосередньої покрівлі прогинаються, розшаруються, в них виникають січні тріщини, що приводять до утворення блоків, які також обвалюються, заповнюючи вироблений простір розпушеною породою, що створює підпір основній покрівлі. Основна покрівля прогинається, у ній формуються тріщини розшарування і окремі січні тріщини, переважно в її нижній частині. Над породами основної покрівлі формується зона розущільнення з окремими тріщинами розшарування.

Роботами з геомеханіки встановлено, що за характером і ступенем деформування гірських порід вуглепородної товщі, яка підробляється, можна виділити 4 основні зони: зона І - безладного обвалення гірських порід; зона ІІ - упорядкованого обвалення і просідання гірських порід; зона ІІІ - розущільнення гірських порід і активних тріщин розшарування і січних вертикальних тріщин; зона ІV - зародження тріщин розшарування і січних тріщин. Аналіз процесу фільтрації метану в підроблених породах покрівлі під час проведення дегазаційних робіт на шахтах Донбасу показує, що частина метану в лаву дренує із І та ІІ зон. Ця частина метану, яку нами умовно названо "швидкий газ", іноді в два та більше разів підвищує газовість працюючої лави. Друга частина метану, яку нами умовно названо "повільний газ", дренує із ІІІ та ІV зон у відроблений простір і підвищує концентрацію метану в вихідному струмені виробничої ділянці. Така різниця в швидкості дренування метану обумовлена зміною показників проникності масиву в зонах з різним ступенем деформування порід.

Раніше теоретично та експериментально доведено, що у розвантажених від гірничого тиску породах збільшуються колекторські властивості - збільшується абсолютна і відкрита пористість і незначно збільшується проникність. Науковцями ІГТМ НАН України встановлено, що природна газопроникність пісковиків Донбасу змінюється за логарифмічною залежністю від їх ефективної пористості. На базі цих результатів автором продовжені дослідження проникності підробленого вуглепородного масиву. Встановлено, що колекторські властивості підробленого масиву характеризуються коефіцієнтом інтегральної ефективної порожнистості k_{і. е. п,} який визначається складанням коефіцієнтів ефективної пористості та ефективної тріщинної порожнистості, яка утворилася за рахунок розущільнення порід внаслідок їх підроблення. Коефіцієнт ефективної тріщинної порожнистості k_{е. т.} відображає ступінь розущільнення підроблених порід і визначається показником відношення потужності вийманого пласта до товщини підробленого масиву. За результатами цих досліджень запропоновано емпіричну формулу для визначення коефіцієнта інтегральної проникності підробленого вуглепородного масиву:

k_пр = e ^{1,08kі. е. п - 5,06}. (1)

Вірогідність одержаної залежності підтверджена високим коефіцієнтом кореляції - кореляційне відношення (R) складає R=0,815 (t_роз=6,13; t_табл=2,86; n=21).

Одним із параметрів процесу фільтрації метану є його питома кількість, яка може бути добута із підробленого вуглепородного масиву дегазаційними свердловинами. На підставі виконаних раніше теоретичних та експериментальних досліджень з геомеханіки встановлено, що товщина ефективного впливу підроблення вуглепородного масиву з точки зору його дегазації залежить від деформаційних властивостей порід масиву, вийманої потужності робочого пласта, ступеню метаморфізму порід та способу управління покрівлею в лаві, яка підробляє масив. Враховуючи результати цих досліджень та вимог нормативних документів до ефективності розвантаження підробленої товщі порід, автором одержана формула для визначення питомої кількості метану q_ві (м³/т), яка може бути добута із вугільного пласта чи прошарку:

q_ві = (х_і - х_оі) (1 - ), (2)

де х_і, х_оі - пластова природна та остаточна газоносність вугілля, м³/т; M_вi - відстань по нормалі між відробленим та підробленим вугільними пластами, м; _кр - граничні деформації розтягання; k_{у. п} та k_{л -} коефіцієнти, які враховують вплив способу управління покрівлею та ступінь метаморфізму вугілля; m_від - сумарна потужність відроблених вугільних пластів, які підробили вуглепородний масив, м.

За аналогією з формулою (2) одержано формулу для визначення кількості метану в порово-тріщинном просторі порід q_пі (м³/м³), яка може бути добута внаслідок підроблення.

За показниками газонасиченості зон вуглепородного масиву, розвантаженого гірничими виробками, розраховується густота добувних запасів метану, на шахтному полі (ділянці, крилі, блоці) Р_зап (м³ газу на м² площі):

Р_зап = q_{ві ві} m_ві + q_пі m_пі, (3)

де _ві - густина вугілля у досліджуваному пласту або прошарку, т/м³; m_і - потужність вугільного чи породного пласту, м.

Густота добувних запасів метану є основним параметром газонасиченості вуглепородного масиву, що дозволяє рекомендувати його до розробки та оцінити можливі обсяги добування газу.

За результатами виконаних досліджень з визначення питомої кількості метану, яка може бути добута із підробленого вуглепородного масиву, з урахуванням класичного трактування коефіцієнту добування корисних копалин (відношення обсягів добування до запасів) автором вперше одержана формула для визначення прогнозного коефіцієнта добування метану із підробленого вуглепородного масиву:

. (4)

По суті К_прог відображає ефективність підробки гірничого масиву, як одного із методів стимуляції газовіддачі в різних гірничо-геологічних умовах. Вірогідність результатів, які одержані за розробленою формулою, підтверджена їх збіжністю з результатами показників реальних коефіцієнтів добування метану дегазаційними свердловинами.

Фільтраційні параметри в підробленому вуглепородному масиві в натурних умовах визначалися наступним чином. Початковий тиск в свердловині замірювався безпосередньо манометрами, обсяг видобутку метану та тривалість роботи свердловин взяті із облікових журналів, густота добувних запасів метану та прогнозний коефіцієнт добування визначалися по розробленій методиці, а середній радіус газоприпливу розраховувався згідно з запропонованою моделлю. Як показують результати аналізу роботи поверхневих дегазаційних свердловин, які пробурені у підроблений масив на шахті ім. О.Ф. Засядька, параметри фільтрації метану коливалися в наступних межах: густота ресурсів метану змінювалася від 113 до 293 м³/м² площі; густота добувних запасів Р_зап = 45,1-122,8 м³/м²; прогнозний коефіцієнт добування метану К_прог = 0,23-0,57; кількість добутого метану зі свердловини 0,89-4,0 млн. м³; середній дебіт свердловини Q = 0,02-0,17 м³/с; середній радіус газоприпливу в свердловину R_еф = 82-161 м; інтегральний коефіцієнт проникності k_пр = 15,0-43,3 мД, а реальний коефіцієнт добування метану поверхневими дегазаційними свердловинами К_доб = 0,12-0,43.

У третьому розділі виконано теоретичне обґрунтування та оцінка параметрів фільтрації метану із підробленого вуглепородного масиву в свердловини, пробурені з поверхні. Практика показує, що формування зон дезінтеграції підробленого масиву та їх параметри істотно залежать від властивостей порід, геометрії і розмірів виробок, умов розущільнення та інших чинників, що, у свою чергу, впливають на зміну ефективних параметрів технології, умов і засобів добування метану із вуглепородного масиву.

В останні роки найбільшою мірою розвиті роботи з рішення задач про стан масиву поблизу очисних виробок і виробленого простору, відомі під термінами: теорія опорного тиску, теорія відтискування. Основна мета рішення полягає в одержанні параметрів границь зон розвантаження, що поширюються навколо очисних виробок.

Використовуючи результати розрахунків з теорії відтискування та теорії опорного тиску, нами отримані залежності глибини зони дегазації від ширини виробленого простору та властивостей гірських порід. На підставі цих залежностей встановлено, що зона дегазації вище та нижче виробленого простору формується у вигляді еліпсу з великою віссю рівною 2L (2L - ширина виробленого простору), та малою віссю, яка в бік підошви дорівнює 0,3L, а в бік покрівлі - 1,4L. За результатами цих досліджень отримані емпіричні залежності, з яких виведено формулу для визначення коефіцієнту проникності підробленого масиву, який зв'язаний з розмірами виробленого простору ступеневою функцією, а з властивостями гірських порід - експоненціальною. З врахуванням досліджень з проникності за класичною формулою Дюпюї для дебіту Q отримана інженерна формула для розрахунків очікуваного дебіту свердловини в процесі добування метану із підробленого вуглепородного масиву в залежності від гірничо-геологічних умов:

_0,14

Q = , (5)

де N - коефіцієнт, який враховує фізичні умови процесу фільтрації; P - градієнт тиску газу; а - параметр фазової взаємодії при фільтрації; - в'язкість газу; r_с - радіус свердловини; Н - глибина свердловини; Е₁ і Е₂ - модулі пружності порід в ближній та дальній зонах впливу виробленого простору.

Аналіз отриманої залежності дебіту свердловини від гірничо-геологічних умов та параметрів підробки свідчить про те, що дебіт найбільше всього залежить від ширини виробленого простору (рис.1) та від градієнта тиску газу (зростаюча лінійна функція), а вплив властивостей порід, радіуса свердловини та глибини робіт (в діапазоні 800-1200 м) перебуває в межах 5-15 %. Вірогідність отриманих результатів підтверджена збіжністю розрахункових показників з практичними даними.

У четвертому розділі проведені експериментальні дослідження параметрів фільтрації та добування метану із підробленого вуглепородного масиву. Метою досліджень є визначення проникності підробленого вуглепородного масиву шляхом газодинамічних опробувань дегазаційних свердловин. Такі дослідження проводяться при освоєнні газових та газоконденсатних свердловин. Сутність експериментів полягає в побудові кривої відновлення тиску (КВТ) та послідуючій її обробки. Результати газодинамічних досліджень свердловин зведені в табл.1, а приклад побудови та обробки КВТ на свердловині МТ-323 (15 східна лава, пласт m₃, шахта ім. О.Ф. Засядька), приведений на рис.2.

Параметри фільтрації метану в процесі його добування в режимі вакуумування визначалися при проведенні дослідно-промислових експериментів на шахті ім. О.Ф. Засядька (свердловина МТ-323) та на закритій шахті "Томашевська-Південна" (свердловина А-3351, підроблений пісковик з проникністю 76,8 мД). Методика експериментів передбачає дослідження газодинамічних параметрів в умовах вакуумного навантаження в трьох режимах, які створюються пересувною установкою ПВВН-12, яка змонтована на двохвісному автопричепі. Установка дозволяє створювати розрядження величиною 730 мм рт. ст. при подачі газоповітряної суміші 11,5 м³/хв. Результати виконаних експериментів приведені в табл.2.

Таблиця 1. Параметри фільтрації на експериментальних дільницях

№ свердловини	Глибина свердловини L, м	Відстань від вибою свердловини до пласта m3, м	Величина інтервалу перфорації h, м	Тиск в усті Ру, мм рт. ст.	Вільний дебіт Q0, м3/год.	Інтегральний коефіцієнт проникності kпр, мД
Щ-1345	1173	17	250	57	0,54	0,59
МТ-328	971	254	460	124	1,12	0,41
МТ-323	1227	8	110	304	3,72	2,27

Таблиця 2. Результати експериментів з видобутку метану із відроблених дільниць (свердловини МТ-323 та А-3351)

	Розрідження, мм рт. ст.	Витрати газової суміші, м3/хв.	Концентрація метану, %
	МТ-323	А-3351	МТ-323	А-3351	МТ-323	А-3351
I режим	427	12	4,86	6,3	92	83
II режим	562	18	5,66	6,9	83	83
III режим	630	22,5	0,9	7,1	1,0	83

Порівняння результатів експериментів свідчить про те, що в свердловині А-3351, величина показника відносного дебіту якої (3,9 м³/хв. на 1 кПа зниження тиску) майже в 90 разів перевищує цей показник свердловини МТ-323 (0,045 м³/хв. на 1 кПа). Така різниця в показниках відносного дебіту свердловин пояснюється тим, що один із головних параметрів процесу фільтрації - проникність підробленого гірського масиву на ділянці свердловини МТ-323 в 33,8 рази нижче, ніж проникність підробленого пісковику на ділянці свердловини А-3351 за рахунок різниці гірничо-геологічних умов.

У п'ятому розділі викладені основні параметри фільтрації метану із підробленого вуглепородного масиву в свердловини. На підставі виконаних аналітичних, теоретичних та експериментальних досліджень запропоновані методичні рекомендації з визначення основних параметрів фільтрації метану із підробленого вуглепородного масиву в свердловини. Основні параметри фільтрації метану із підробленого вуглепородного масиву в свердловини приведені нижче.

Густота добувних запасів метану в підробленому вуглепородному масиві залежить від газоносності вугілля та порід, вийманої потужності вугільного пласта, способу управління покрівлею, ступеню метаморфізму, деформаційних характеристик вугілля і пісковиків та визначається за розробленою методикою (формули (2), (3)).

Прогнозний коефіцієнт добування метану із підробленого вуглепородного масиву, якій дорівнює відношенню питомої кількості метану, яка може бути добута в даних умовах підроблення, до природної газоносності вугілля чи пісковику, або дорівнює відношенню густоти добувних запасів метану до густоти його ресурсів, визначається згідно з розробленою формулою (4).

Коефіцієнт інтегральної проникності підробленого вуглепородного масиву розраховується за розробленою формулою (1) як на стадії проектування, так і на стадії освоєння свердловини за результатами газодинамічних досліджень.

Тиск газу в підробленому масиві складається з величини статичного тиску в усті свердловини та тиску газового стовпа висотою, яка дорівнює глибині свердловини.

Дебіт свердловини залежить від густоти добувних запасів та тиску метану в підробленому вуглепородному масиві, властивостей масиву, параметрів підробки і конструкції свердловини та розраховується за розробленою формулою (5), а потім уточнюється в процесі експлуатації свердловини.

Радіус газоприпливу із підробленого вуглепородного масиву в свердловину визначається за даними густоти добувних запасів і очікуваного обсягу добування метану свердловиною, а в процесі експлуатації - за фактичними обсягами добування та густоти добувних запасів метану.

Запропоновані рекомендації та результати досліджень використані в розробці стандарту Мінвуглепрома України СОУ 10.1.05411357.007: 2007 "Техногенні скупчення метану у порушеному вуглепородному масиві. Методика прогнозування зон підвищеної газонасиченості та визначення їх параметрів". Стандарт призначений для прогнозування зон підвищеної газонасиченості в підробленому вуглепородному масиві на відпрацьованих шахтних полях та ділянках, а також, для оцінки густоти запасів техногенного метану на прогнозованих площах.

Доцільність використання отриманих результатів з обґрунтування параметрів фільтрації метану із підробленого вуглепородного масиву, окрім екологічних та соціальних чинників, розглянута в напрямку видобутку та утилізації метану як енергоносія. На прикладі конкретної свердловини виконана оцінка економічної ефективності утилізації метану когенераційними газопоршневими установками, обладнаними утилізаторами тепла. Встановлено, що електростанція потужністю 1250 кВт, яка складена з трьох установок JMS 312 GS - B. L з двома вакуумними насосами ВВН-12, дозволить виробляти щорічно 10950 МВтгод електроенергії і 10582 Гкал тепла та отримувати прибуток у розмірі 2,95 млн. грн. При капітальних затратах 11,3 млн. грн. прибуток за весь термін експлуатації електростанції буде 40,12 млн. грн., а повернення капіталовкладень очікується менше чим за чотири роки.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується використанням апробованих методів моделювання процесів з використанням стандартних методик досліджень фільтраційних властивостей, збіжністю розрахункових параметрів фільтрації метану при його добуванні із підробленого вуглепородного масиву з результатами експериментальних робіт в різних гірничо-геологічних умовах, достатньою для виконання інженерних розрахунків, позитивними результатами застосування розроблених методик і методичних рекомендацій у вугільних шахтах.

Висновки

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій вирішена актуальна наукова задача встановлення закономірностей зміни фільтраційних властивостей підробленого вуглепородного масиву: його інтегральної ефективної порожнистості, інтегральної проникності, коефіцієнту фільтрації та тиску газу в залежності від гірничо-геологічних умов для обґрунтування параметрів фільтрації метану із підробленого вуглепородного масиву в свердловини, що має важливе народногосподарське значення під час планування робіт з дегазації і видобутку метану.

Основні наукові та практичні результати дисертаційної роботи полягають у наступному:

1. Аналіз стану проблеми добування шахтного метану під час дегазаційних заходів свідчить про те, що в теорії і практиці не повно розкриті особливості параметрів фільтрації метану із підробленого вуглепородного масиву в свердловини та закономірності зміни фільтраційних характеристик масиву від гірничо-геологічних умов його підроблення.

2. Представлений у роботі механізм і умови формування зональної дезінтеграції підробленого вуглепородного масиву дозволили умовно розділити його на зони, що містять "швидкий газ" і "повільний газ", параметри фільтрації в яких необхідно враховувати під час добування метану свердловинами. Розроблена методика розрахунку фільтраційних параметрів колектора, що містить метан, дозволяє визначити його основні показники: інтегральну ефективну порожність та інтегральний коефіцієнт проникності, що утворилися внаслідок підробки. Встановлена логарифмічна залежність між інтегральною проникністю та інтегральною ефективною порожнистостю порід-колекторів, яка описується емпіричною формулою, придатною для інженерних розрахунків.

3. Установлено, що густота добувних запасів метану в підробленому вуглепородному масиві залежить від природної та залишкової газоносності вугілля і порід, розміру вийманої потужності відробленого пласта, способу керування покрівлею, ступеня метаморфізму, деформаційних характеристик вугілля і порід та визначається за формулою, яка придатна для інженерних розрахунків з урахуванням геологічного розрізу.

Вперше введене поняття та розроблений прогнозний коефіцієнт добування метану К_прог, який дорівнює відношенню питомої кількості метану, яка може бути добута із вугільних або породних пластів в даних умовах підроблення, до їх природної газоносності. К_прог також визначається як відношення густоти добувних запасів метану до густоти його ресурсів. Він відображає ефективність підроблення вуглепородного масиву, як одного з методів стимуляції газовіддачі в різних гірничо-геологічних умовах.

4. На базі теоретичних досліджень фізичних моделей структур і геомеханіки підробленого масиву установлені закономірності зміни параметрів зон різного стану гірських порід, розташованих поблизу виробленого простору, розмірів зон дегазації, величини коефіцієнта проникності масиву і дебіту свердловини, пробуреної в підроблений масив. Установлено, що дебіт свердловини залежить від тиску газу в підробленому масиві, його властивостей, параметрів підроблення, конструкції свердловини і може бути визначений на стадії проектування за формулою для інженерних розрахунків.

5. Розроблені методичні рекомендації дозволяють визначити основні параметри фільтрації метану: густоту добувних запасів Р_зап в підробленому вуглепородному масиві, його інтегральну проникність k_пр, коефіцієнт фільтрації k_ф, тиск газу в масиві Р_пм, прогнозний коефіцієнт добування К_прог, дебіт свердловини Q і середній радіус області дегазації R_эф.

6. Методичні рекомендації з визначення основних параметрів фільтрації метану із підробленого вуглепородного масиву використані при розробці галузевого стандарту СОУ 10.1.05411357.007: 2007 "Техногенні скупчення метану у порушеному вуглепородному масиві. Методика прогнозування зон підвищеної газонасиченості та визначення їх параметрів", що затверджений Мінвуглепромом України і зареєстрований як нормативний документ "Укрнднц".

7. Приклад оцінки економічної ефективності утилізації шахтного метану, який добувається із підробленого вуглепородного масиву, показує, що його використання як моторного палива в когенераційних газопоршневих установках JMS 312 GS - B. L для одержання електроенергії та тепла є рентабельним заходом. При загальних капітальних витратах на проектування і будівництво електростанції потужністю 1250 кВт, сумою 11,3 млн. грн., очікуваний річний прибуток складе 2,95 млн. грн., а очікуваний прибуток за повний термін експлуатації електростанції - 40,12 млн. грн. Повернення капіталовкладень відбудеться менше чим за чотири роки з початку експлуатації електростанції.

Список опублiкованих наукових праць за темою дисертації

1. О возможности прогнозирования зон повышенной газонасыщенности углей и вмещающих пород геоэлектрическими методами / С.П. Левашов, Д.П. Гуня, Н.А. Якимчук, И.Н. Корчагин, Ю.М. Пищаный // Доповіді НАН України. - 2002. - № 10. - С.118-122.

2. Методика расчета извлекаемых запасов метана из подработанного и надработанного углепородного массива / В.В. Лукинов, А.П. Клец, В.Г. Ильюшенко, В.В. Бобрышев, Б.В. Бокий, Д.П. Гуня, В.В. Фичев В.В. // Геотехническая механика. - Днепропетровск, 2002. - Вып.37. - С.62 - 69.

3. Типизация месторождений угольного метана по горно-геологическим условиям / В.В. Лукинов, Л.И. Пимоненко, А.П. Клец, Д.П. Гуня, Н.Э. Капланец // Геотехническая механика. - Днепропетровск, 2004. - Вып.49. - С.9 - 16.

4. Экспериментальная оценка газопроницаемости подработанного углепородного массива / А.Ф. Булат, В.В. Лукинов, А.П. Клец, А.А. Тихонов, Е.Л. Звягильский, И.А. Ефремов, Б.В. Бокий, Д.П. Гуня, В.П. Иванов, В.В. Чередников, В.В. Фичев // Сб. научн. трудов Национального горного университета. - Днепропетровск, 2004. - № 19. - Т.3. - С.123-128.

5. Проблемы поверхностной дегазации на угольных месторождениях / В.В. Лукинов, Д.П. Гуня, О.С. Торопчин, Н.Э. Капланец, С.В. Радованов // Геотехническая механика. - Днепропетровск, 2005. - Вып.53. - С.138 - 143.

6. Выделение нарушенности подработанного горного массива по величине акустического сигнала / В.А. Баранов, П.С. Пащенко, Б.В. Бокий, Д.П. Гуня // Геотехническая механика. - Днепропетровск, 2005. - Вып.56. - С.16 - 22.

7. Влияние геологических факторов на газообильность горных выработок / В.В. Лукинов, В.А. Баранов, Д.П. Гуня, П.С. Пащенко // Науковий вісник Національного гірничого університету, 2005. - Вып.6. - С.76 - 79.

8. Пимоненко Л.И. Типизация природных зон локального скопления метана в Донецко-Макеевском районе Донбасса / Л.И. Пимоненко, Д.П. Гуня, Л.Д. Кузнецова // Геотехническая механика. - Днепропетровск, 2006. - Вып.67. - С.307 - 316.

9. Гуня Д.П. Анализ изучения газоносности и оценка ресурсов метана на угольных месторождениях / Д.П. Гуня // Теоретичні та прикладні аспекти геоінформатики: зб. наук. пр. - Київ: Всеукраїнська асоціація геоінформатики, 2006. - С.51 - 57.

10. Гуня Д.П. Показатели фильтрации метана в подработанном углепородном массиве на шахте им. А.Ф. Засядько / Д.П. Гуня. // Геотехническая механика. - Днепропетровск, 2008. - Вып.76. - С.126 - 130.

11. Пат.74502 Україна, G01V9/00; E21F7/00. Спосіб визначення зон скупчення метану на відпрацьованих ділянках шахт / А.Ф. Булат, Ю.Л. Звягільський, В.В. Лукінов, В.А. Баранов В.А., І.О. Єфремов, Б.В. Бокий, Д.П. Гуня; заявники і патентоволодарі: Ін-т геотехниічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України, Орендне підприємство "Шахта ім. О.Ф. Засядька". - № 20040705426; заявл.06.07.04; опубл.15.12.05, Бюл. № 12.

12. Пат.74503 Україна, G01V9/00; E21F7/00. Спосіб визначення зон скупчення метану на невідпрацьованих ділянках шахт та ділянках розвідки / А.Ф. Булат, Ю.Л. Звягільський, В.В. Лукінов, В.А. Баранов, І.О. Єфремов, Б.В. Бокий, Д.П. Гуня, Д.Г. Підтуркін; заявники і патентоволодарі: Ін-т геотехниічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України, Орендне підприємство "Шахта ім. О.Ф. Засядька". - № 20040705427; опубл.15.12.05, Бюл. № 12.

13. Техногенні скупчення метану у порушеному вуглепородному масиві. Методика прогнозування зон підвищеної газонасиченості та визначення їх параметрів: СОУ 10.1.05411357.007: 2007/А.Ф. Булат, Д.П. Гуня, А.П. Клець, Л.Д. Кузнєцова, О.О. Кущ, В.В. Лукінов, О.В. Приходченко, М.Г. Тіркель - [Чинний від 2008-01-01]. - К: Мінвуглепром України, 2007. - 14 с.

14. Клец А.П. Проницаемость подработанного углепородного массива / А.П. Клец, Д.П. Гуня // Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках: материалы ХIV Междунар. научной школы им. акад. С.А. Христиановича. - Симферополь, - 2004. - С.59 - 62.

15. Прогнозирование нарушенности подработанного массива и зон скопления метана акустическими методами / В.А. Баранов, П.С. Пащенко, Б.В. Бокий, Д.П. Гуня // Матеріали міжнародної конференції "Форум гірників - 2005". - Дніпропетровськ: НГУ. - 2005. - Т.1. - С.62 - 65.

Особистий внесок автора в праці, що опубліковані в співавторстві

[1, 5, 7] - аналіз газоносності вугільних пластів та способів для підвищення газовіддачі; [2, 15] - дослідження порожнистості гірничих порід; [3, 6, 8, 11, 12, 13] - дослідження механізму та умов формування зон газонасиченності в підробленому вуглепородному масиві; [4, 14] - дослідження процесу та обґрунтування параметрів фільтрації метану.

Анотацiї

Гуня Д.П. Обґрунтування параметрів фільтрації метану із підробленого вуглепородного масиву в свердловини. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спецiальнiстю 05.15.09 - "Геотехнічна і гірнича механіка". Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України, Дніпропетровськ, 2008.

Дисертація присвячена обґрунтуванню параметрів фільтрації метану із підробленого вуглепородного масиву в свердловини. В роботі викладений огляд стану досліджень з добування метану на вугільних родовищах Донбасу та за кордоном.

Розкрито механізм та умови формування зональної дезінтеграції підробленого вуглепородного масиву. Викладено теоретичні та експериментальні дослідження, за якими визначені закономірності зміни параметрів фільтрації метану залежно від умов формування розущільнених зон. Дано обґрунтування основних параметрів фільтрації метану із підробленого вуглепородного масиву в свердловини: густоти добувних запасів метану, прогнозного коефіцієнту добування метану; проникності підробленого вуглепородного масиву; тиску газу; дебіту свердловини; радіусу газоприпливу.

Розроблено галузевий стандарт Мінвуглепрому, який регламентує прогнозування зон техногенних скупчень метану на відпрацьованих ділянках та закритих шахтах.

Приведено приклад оцінки ефективності утилізації шахтного метану електростанцією, що складається з трьох газопоршневих установок, дані рекомендації з використання отриманих результатів.

Ключові слова: шахтний метан, підробка, вуглепородний масив, параметри фільтрації, свердловина, утилізація.

Гуня Д.П. Обоснование параметров фильтрации метана из подработанного углепородного массива в скважины. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.09 - "Геотехническая и горная механика". Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова Национальной академии наук Украины. Днепропетровск, 2008.

Диссертация посвящена обоснованию параметров фильтрации метана из подработанного углепородного массива в скважины. В работе изложен обзор состояния исследований по извлечению метана на угольных месторождениях Донбасса и за рубежом.

Раскрыт механизм и условия формирования зональной дезинтеграции подработанного углепородного массива, позволяющие условно разделить его на зоны, содержащие "быстрый газ" и "медленный газ", параметры фильтрации в которых различны. Установлена логарифмическая зависимость между проницаемостью и интегральной эффективной пустотностью подработанных пород - коллекторов, которая описывается эмпирической формулой, приемлемой для инженерных расчетов.

Установлена зависимость плотности извлекаемых запасов метана в подработанном углепородном массиве от природной и остаточной метаноносности углей и пород, величины вынимаемой мощности отработанного пласта, способа управления кровлей, степени метаморфизма, деформационных характеристик углей и пород. Впервые предложен и разработан прогнозный коэффициент извлечения метана из подработанного углепородного массива, равный отношению плотности извлекаемых запасов метана к плотности его ресурсов.

Теоретическими исследованиями определены закономерности изменения размеров зон дегазации, расположенных вблизи выработанного пространства, величины коэффициента проницаемости массива и дебита скважины, пробуренной с поверхности в подработанный массив. Установлено, что дебит скважины зависит от давления газа в подработанном массиве, его свойств, параметров подработки, конструкции скважины и может быть определен на стадии проектирования по формуле для инженерных расчетов.

Приведены результаты экспериментальных газодинамических исследований на поверхностных дегазационных скважинах, пробуренных в подработанном углепородном массиве, по которым определены основные параметры фильтрации: коэффициент проницаемости массива и свободный дебит скважины. Представлены результаты опытно-промышленных исследований параметров фильтрации метана в процессе его извлечения в режиме разрежения.

На основе выполненного анализа, теоретических исследований и опытно-промышленных экспериментов разработаны методические рекомендации определения основных параметров фильтрации метана из подработанного углепородного массива: плотности извлекаемых запасов газа в подработанном углепородном массиве, его интегральной проницаемости, давления метана в массиве, прогнозного коэффициента извлечения метана, дебита скважины и среднего радиуса газопритока. Разработан отраслевой стандарт Минуглепрома, регламентирующий прогнозирование зон техногенных скоплений метана на отработанных участках и закрытых шахтах.

Приведен пример оценки эффективности утилизации шахтного метана электростанцией, состоящей из трех газопоршневых установок, даны рекомендации использования полученных результатов.

Ключевые слова: шахтный метан, подработка, углепородный массив, параметры фильтрации, скважина, извлечение, утилизация.

Gunya D.P. Groundation of methane filtration parameters from undermining coal rock massive to wells. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineerings sciences on a speciality 05.15.09 - "Geotechnical and mining mechanics". Institute of the geotechnical mechanics by name M. S. Polyakov of the National academy of sciences of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2008.

...