Успеть до начала разработки!
Российская технология «Плазменно-импульсного воздействия» (ПИВ) способна заблаговременно высвобождать запасы потенциально опасной скрытой энергии
Российская технология Плазменно-импульсного воздействия (ПИВ) способна заблаговременно эффективно высвобождать запасы потенциально опасной скрытой энергии в угольной залежи. Об этом убедительно свидетельствуют результаты ее внедрения в Распадской угольной компании (РУК)
В своих интервью бывший руководитель «Ростехнадзора» А.В. Алешин неоднократно подчеркивал, что, помимо человеческого фактора, «зачастую высокие риски обусловлены больше природными особенностями месторождений, чем технологическими процессами». И с этим трудно поспорить.
Возможность обеспечения максимальной безопасности жизни шахтеров за счет заблаговременной дегазации угольных пластов напрямую связана с выявлением аномалий, опасных на возникновение эндогенных пожаров и внезапных выбросов. Поэтому это является чрезвычайно важной задачей, которую невозможно решить без эффективного высвобождения запасов скрытой потенциально опасной энергии до начала разработки угольных пластов.
Дело усугубляется тем, что единой теории о причинах возникновения внезапных выбросов не существует. Кроме того, выявить вероятные очаги возникновения эндогенных пожаров практически невозможно, поскольку они носят спонтанный характер и локально распределяются в угольном массиве.
Угольная залежь как динамическая система со сложной внутренней организацией может самостоятельно настраиваться на определенный режим функционирования, при котором во времени и пространстве аномально меняются реологические, релаксационные и теплофизические свойства системы, поскольку она не находится в состоянии термодинамического равновесия. В угольной залежи царит частотный хаос, напоминающий «настройку симфонического оркестра», при котором выделить доминантную частоту невозможно, хотя каждая из них носит детерминированный характер (имеет причинно-следственные связи).
Многие специалисты связывают неожиданные выбросы угля и газа 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 стенках, а также на частицах раздробленного угля, составляют не более 10% от общего содержания газа во взрывоопасных угольных пластах, и этого количества недостаточно, чтобы произвести выбросы угля и газа в таких масштабах, которые бывают в шахтах. Вопрос выделения этого газа в свободное состояние без направленного принудительного воздействия остается дискуссионным. В то же время совершенно очевидно, что работу совершают запасы невысвобожденной скрытой потенциально опасной энергии, где эндогенные силы образуют локальные области растяжения-сжатия , а капиллярные силы распределяют жидкую и газообразную фазы в природном композите. Движущей силой в такой системе является энергия свободного газа и энергия упругого деформирования.
В большинстве случаев газодинамические явления (ГДЯ) в шахтах неразрывно связаны с задымлениями, которые могут переходить в эндогенные пожары.
Специалисты, отвечающие за безопасность подземной добычи угля, считают, что «несовершенство применяемых способов обнаружения ранней стадии самовозгорания и способов локализации очагов в выработанном пространстве не позволяет заранее определить возможное местонахождение эндогенного пожара».
В последние годы (2014-2023) значительный вклад в решение вышеназванных проблем внесла практика внедрения природоподобной российской технологии «Плазменно-импульсного воздействия» (ПИВ), которая способна эффективно высвобождать запасы потенциально опасной скрытой энергии до начала разработки угольных пластов. Так, на категорийной шахте Распадской угольной компании (РУК) «Ерунаковская‑VIII», только за 4 года применения ПИВ удалось не только значительно снизить газоносность угольного пласта 48-9 и невыдержанного, опасного на пучение почвы 45-го пласта-спутника, но и выявить аномалии, опасные на возникновение ГДЯ.
Уникальность технологии плазменно-импульсного воздействия, которое проводится через вертикальные скважины, пробуренные с дневной поверхности, заключается в том, что она играет роль спускового механизма, запускающего в действие запасы скрытой потенциально опасной энергии до начала разработки угольных пластов. При этом во время воздействия за счет искусственно инициируемых сжимающих и растягивающих напряжений меняется напряженно-деформационное состояние обрабатываемых объектов, а значительная часть сорбированного и растворенного в угле газа переходит в свободное состояние. Широкополосные периодические импульсы давлением в 200 атм/см2 по всей мощности пластов упорядочивают частотный хаос за счет совпадения когерентных частот со спектром колебательной системы пластов (рис. 1).
После ПИВ в скважины, расположенные на расстоянии 120 метров друг от друга, спускаются насосы, рассчитанные на объем притока жидкости к каждой скважине, при этом создается депрессия на пласт, которая по мере отбора газа и жидкости формирует гигантскую депрессионную воронку, где все скважины фильтрационно связаны друг с другом.
Оператор управляет режимом работы скважин и по нетипичным отклонениям притока газа и жидкости фиксирует локальные зоны, которые могут представлять опасность на возникновение ГДЯ, о чем после анализа информации сообщается руководителям шахты.
За время применения технологии ПИВ из блока скважин А-8, А-9, А-10, А-11, А-12, где существенных аномалий не обнаружено, за 2 года (2017-2019) извлечено 11 691 530 м3 метана чистотой 97,41%, что позволило снизить газоносность пласта с 24 до 15 м3/т (37,5%). Результаты подтверждены взятием 8 кернов компанией ООО «Уголь-метан».
Несмотря на то, что за следующие 2 года (2020-2022) из блока скважин А-13, А-14, А-15, А-16, А-19, А-20, А-21, А-22, А-24 и было извлечено 10 380 772 м3 метана, что, очевидно, позволило снизить газоносность участка примерно на 27,7 %, эти скважины оказались в зонах различных аномалий, не выявленных до начала разработки 48-9. (рис. 2 на следующей странице).
В частности, на скважине А-13, введенной в эксплуатацию 26 июня 2019 года, за первые трое суток после запуска появился стабильно высокий дебит метана 120-130 м3/час, практически без притока жидкости и без депрессии на пласт, что не соответствовало программе вывода скважины на режим эксплуатации, которая обычно занимает 30-45 суток. Такая ситуация характерна для геологического нарушения, которое может быть источником свободного газа. Характер нарушения не известен. Однако при ремонтных работах и повторном проведении ПИВ выяснилось, что из пласта в скважину стал поступать большой объем угольной пыли, обнаруженной на генераторе ПИВ после его подъема. Кроме того, появился приток воды с большим содержанием угольной крошки. Потребовалась смена насоса. При подъеме глубинно-насосного оборудования (ГНО) было выявлено смятие погружной телеметрии. Пыль и угольная крошка подтянулись к призабойной зоне скважины (ПЗС) в интервале пластов 48 и невыдержанного пласта-спутника 45, что впоследствии привело к снижению дебита по газу. ГНО после ремонта было смонтировано над пластом, а скважина продолжила стабильно добывать газ, хотя и в меньших объемах.
Характер режима работы скважины свидетельствует, что она, вероятно, находится в зоне перемятости угля, которая возникает спонтанно в результате локальных процессов природной кавитации. (Выступление члена-корреспондента АН СССР А.В.Дакукина на третьем международном конгрессе по проблемам борьбы с внезапными выбросами в Пекине в апреле 1981 года).
Согласно исследованиям, «в тектонически нарушенных участках, при наличии рыхлых углей, увеличивается их склонность к самовозгоранию (Ф.А.Голынская).
Скважины А-14 и А-16 были запущены в эксплуатацию соответственно 10 апреля 2019 года и 22 марта 2019 года. Вывод на режим проходил без отклонений. Через 3 месяца эксплуатации произошло смятие колонны на скважине А-14, а через 7 месяцев — на скважине А-16. При попытке извлечь ГНО из скважины А-14 удалось поднять только 33 НКТ (насосно-компрессорные трубы), после чего произошел обрыв трубы на отметке 281 метр, что впоследствии зафиксировано видеокаротажем. Учитывая, что длина НКТ — 9,48 м, смятие колонны произошло на отметке 285-290 метров. НКТ на скважине А-16 поднять не удалось. События смятия колонн в результате подвижки породы зафиксированы сейсмодатчиками, установленными в рабочем пространстве отрабатываемого пласта 48-8 на глубине 680 метров. Согласно исследованиям Института Физики Земли, РАН (С.И. Шерман) подобное явление характеризуется как «сдвиговое поле напряжений». Этот эффект может появляться за счет «природных волн медленных движений», которые «классифицируются как волны разрушений и повреждений, способные активировать разломы, состоящие из группы разнонаправленных и разноориентированных трещин, достигающих по простиранию более 100 метров».
Следует отметить, что скважина А-15, запущенная в эксплуатацию 8 апреля 2019 года, к концу 2022 года добыла 2 252 526 м3 метана, после чего произошло нарушение колонны из-за достигшей скважины медленной волны смятия.
Скважины А-21 и А-22, запущенные в эксплуатацию 8 июня 2020 года, оказались самыми глубокими. Забой соответственно 762 и 780 метров представлял собой синклиналь невыдержанного 45-го пласта. При запуске в эксплуатацию практически сразу на обеих скважинах был зафиксирован выход больших объемов метана по 150 м3/час, сопровождавшийся периодическими выбросами жидкости и газа через каждые 25-30 минут попеременно. Складывалось впечатление, что они связаны одним пульсирующим источником, что сопровождалось колебаниями забойного давления на скважинах. Подобные явления в работе других скважин ранее не отмечались.
Подтверждением аномалии может служить самопроизвольная раскрутка насосов из-за большого содержания угольной пыли и, как следствие, — смятие эксплуатационных колонн в районе неустоявшегося 45-го пласта, что было зафиксировано после поднятия ГНО из скважины А-22. Из скважины А-21 из-за сильного прихвата ГНО поднять не удалось.
Как представляется, основной причиной аномалии является геологическое нарушение, в котором с изменением напряженно-деформационного состояния сконцентрировался значительный объем метана, опасный на пучение почвы, что привело к выбросам угольной пыли в скважины.
Скважина А-20 запущена в эксплуатацию 21 марта 2021 года. После вывода на режим эксплуатации метан стал выходить с выносом кристаллообразного порошка белого цвета, который оседал в расходомере и блокировал выход газа. Осадок также фиксировался на стенках газовой линии. Анализ образцов кристаллов в лаборатории АО «Западно-Сибирский Испытательный Центр» по заявке шахты «Ерунаковская-VIII» показал, что в осадках содержится 38% оксида натрия (Na2O), который представляет собой негорючие кристаллы повышенной твердости, хорошо растворимые в воде с выделением тепла. Природа этой аномалии в угольном пласте в научной литературе не освещается. Однако из физики известно, что это может быть результатом аутоокисления — радикальной цепной реакции кислорода с углистым веществом, что приводит к самонагреву угля, очаги которого возникают локально в массиве и приводят к образованию газогидратов. Поскольку реакция радикальная и цепная, газогидраты не являются конечным продуктом, а вступают в реакцию с другими химическими соединениями, в результате чего могут возникать такие оксиды, как оксид натрия. Следует отметить, что в природе оксида натрия не существует. Для его получения требуется высокое давление и высокая температура, сопоставимая с температурой самонагревания угля.
Можно предположить, что выходящие вместе с метаном кристаллы блокируют газ в отдельных участках пласта, что приводит к локальной концентрации газа в районе скважин А-20 и А-19 (расстояние между скважинами 120 метров), который становится опасным на возникновение ГДЯ. В подтверждение этой версии может служить изменение режима работы скважины А-19, дебит которой с 80 м3/час вырос до стабильных 260 м3/ час, практически без притока жидкости после остановки скважины А-20 по причине невозможности ее эксплуатации из-за осадконакопления (рис. 3).
Скважина А-24 была запущена в работу 2 апреля 2021 года с высоким дебитом около 140 м3/час после выхода на режим эксплуатации. Однако после начала применения ПИВ на скважине А-28 в контуре лавы 48-10 ее режим эксплуатации резко изменился. В частности, при работе генератора ПИВ в скважине А-28 в зоне невыдержанного пласта 45 (в контуре лавы 48-10) начались выбросы газа объемом 120 м3/час в скважине А-24, (контур лавы 48-9), остановленной на ремонт и находящейся от обрабатываемой скважины на расстоянии примерно 1 500 метров. При переходе генератора и инициировании импульсов в рабочем пласте 48 (контур лавы 48-10) выбросы на скважине А-24 снизились до 50 м3/ час. После прекращения воздействия скважина А-24 вернулась к прежнему рабочему состоянию.
Особенностью ПИВ является то, что «передача давления в жидкой среде обусловлена перемещением объектов этой среды по тем же точкам, по которым проходит волна» (уравнение Ван-дер-Ваальса). Достижение импульсов давления до скважины А-24 на названном расстоянии может свидетельствовать о наличии мощной эндогенной трещины, заполненной водой и газом, пересекающей оба контура лавы (рис 4).
Таким образом, применение технологии плазменно-импульсного воздействия на шахте «Ерунаковская-VIII» позволило не только в относительно короткий период времени значительно дегазировать угольные пласты 48 и 45, но и выявить локальные участки, опасные на возникновения ГДЯ, что означает «предупрежден, значит вооружен».
По оценке заведующего кафедрой геотехнологий, доктора технических наук СибГИУ (Новокузнецк) В.Н. Фрянова, «применение технологии плазменно-импульсного воздействия было бы весьма полезно на стадии планирования строительства шахты», что, как показывает практика, позволит дегазировать большие объемы угля и определить аномалии, опасные на ГДЯ, до начала разработки угольных пластов.
В качестве примера приводится модель «Экономическая эффективность заблаговременной дегазации 35 млн тонн угля при планировании строительства шахты.
Экономическая эффективность применения технологии ПИВ для заблаговременной дегазации достигается за счет следующих факторов:
повышение безопасности горных работ;
совместная дегазация с разрабатываемым угольным пластом невыдержанных пластов-спутников, а также вышележащих в кровле пласта песчаников, опасных на возникновение эффекта трения-скольжения и разрушение кровли, с последующим внезапным выбросом метана;
сокращение сроков подготовки и запуска угольной лавы в эксплуатацию;
снижение затрат на пластовую дегазацию;
ускорение ведения горных работ в угольных пластах с начальной высокой природной газоносностью (увеличение нагрузки на очистной забой).
Для расчета экономической эффективности в данной модели за базовый показатель берется ускорение подготовки лавы к отработке. Данный показатель соотносится с ускорением отработки самой лавы и, следовательно, с увеличением нагрузки на забой.
Таким образом, в качестве основного критерия эффективности заблаговременной дегазации принимается процент снижения природной газоносности в дегазируемом блоке угля и соответствующий ему процент увеличения нагрузки на очистной забой. Для расчета эффективности принимаются следующие допущения:
Учитывая, что при применении технологии плазменно-импульсного воздействия на шахте «Ерунаковская-VIII» в контуре лавы 48-9 за 2 года достигнуты показатели снижения газоносности угольных пластов на 37,5% и в последующие 2 года на следующим участке — примерно на 27,7%, можно ожидать существенного увеличения нагрузки на забой , и, соответственно, ускорения отработки лавы.
Таким образом, экономическая целесообразность заблаговременной дегазации угольных пластов на стадии планирования шахты не вызывает сомнения, а выявленные в процессе дегазации аномалии, опасные на возникновение ГДЯ, несомненно, повысят безопасность работы шахтеров при проведении горных работ.
Авторы: Петр Агеев, директор по науке, член-корр. МАНЭБ, Андрей Десяткин, к.г.м. наук, Ярослав Дубенков, эксперт экономического факультета РУДН, Москва (компания ООО «Георезонанс»)