Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка комплекса методических и скважинных технических средств гидроразрыва углепородного массива химически активными составами, вибрационного воздействия, прогнозной оценки газодианамической активности и измерений геомеханического состояния угольных пластов для повышения безопасности и производительности подземной добычи угля

Номер контракта: 14.604.21.0096

Руководитель: Курленя Михаил Владимирович

Должность руководителя: и.о.директора

Докладчик: Тимонин Владимир Владимирович, заведующий лабораторией

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
угольный пласт, подземная разработка, метан, кровля пласта, шахтный гидроразрыв, рабочие жидкости, вибрационное воздействие, скважинные измерения, газодинамическая активность, геомеханическое состояние

Цель проекта:
Проект направлен на получение значимых научных результатов, позволяющих перейти к созданию и внедрению в угледобывающую промышленность новых видов научно-технической продукции для более эффективной и безопасной подземной разработки газоносных угольных пластов, снижения энергопотребления и финансовых затрат. Цель проекта: - разработка методических принципов и технических решений в области измерений геомеханического состояния и газоотдачи угольных пластов; - создание научно-технических основ технологии вибрационного воздействия на угольный пласт в комплексе с направленным гидроразрывом углепородного массива для повышения продуктивности дегазационных скважин; - создание научно-технических основ технологии направленного гидроразрыва углепородного массива химически активными составами для разупрочнения монолитных песчаников в кровле угольного пласта, закрепления разрушенных участков углепородного массива и снижения опасности обрушения пород кровли при подземной добыче угля.

Основные планируемые результаты проекта:
В результате выполнения проекта ожидается получение следующих основных научных и научно-технических результатов:
а) технические и методические средства, обеспечивающие прогнозную оценку газодинамической активности и измерение геомеханического состояния газоносных угольных пластов в глубоких пластовых скважинах на расстоянии до 1000 метров от их устья;
б) технические и методические средства, обеспечивающие не менее чем двукратное повышение продуктивности дегазационных скважин за счет шахтного гидроразрыва в комплексе с вибрационным воздействием на газоносный угольный пласт в диапазоне частот от 50 до 100Гц;
в) технические и методические средства, обеспечивающие повышение эффективности разупрочнения монолитных песчаников в кровле угольного пласта методом направленного гидроразрыва за счет применения химически активных рабочих жидкостей (составов), снижающих в два и более раз сцепление берегов создаваемых трещин между собой;
г) способ и средств направленного гидроразрыва горных пород цементирующими двухкомпонентными составами для создания эффективной технологии закрепления разрушенных участков углепородного массива и снижения опасности образования конусов обрушения при подземной добыче угля.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В результате работ выполнены теоретические исследования и оптимизация технических и технологических решений, в результате которых разработаны:
1) технические решения по оптимизации технологии повышения продуктивности дегазационных скважин методом направленного гидроразрыва углепородного массива;
2) технические решения управления состоянием кровли угольного пласта, повышающие эффективность технологии направленного гидроразрыва за счет совмещения бурения, создания щелевого инициатора, герметизации призабойного интервала скважины, и закачки под давлением химически активных рабочих жидкостей в одном скважинном устройств, обеспечивающим выполнение всего указанного комплекса технологических операций за одну проходку скважины;
3) технологические и технические решения по транспортированию разрабатываемого скважинного оборудования в скважинах без использования секционных колон;
4) технические решения по системам управления работой вибрационного модуля, прижима модуля к стенке дегазационной скважины, энергообеспечения, оптимизированные с точки зрения автоматического регулирования вибротяговой силы, использования в качестве основного энергоносителя сжатого воздуха из шахтного воздуховода, отвода воздуха из дегазационной скважины по отдельной линии для исключения его смешивания с метаном, извлекаемым из угольного пласта;
5) геомеханический способ и оборудование скважинных измерений напряжений и деформационных характеристик горных пород, в т.ч. модуля Юнга и коэффициента Пуассона;
6) способ и оборудование для измерений газоотдачи локальной области угольного пласта, включающий создание трещины продольного гидроразрыва и последовательные замеры давления, выходного расхода газа и содержания в нем метана при контролируемом нагружении стенок скважины.
Сравнение совокупности получаемых результатов с современным научно-техническим уровнем показывает, что разработанные решения соответствуют мировым тенденциям развития комплексных скважинных измерительных технологий шахтного исполнения, технологий интенсификации газоотдачи угольных пластов и управления состоянием пород кровли. Разработанные экспериментальные образцы скважинного оборудования, по крайней мере, не уступают мировому уровню с области измерений напряженного состояния и деформационных характеристик горных пород за счет комплекса продольного и поперечного разрывов наблюдательной скважины, направленного гидроразрыва и вибрационного воздействия на угольный пласт в шахтных условиях.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Область применения результатов – повышение безопасности и эффективности подземной разработки газоносных угольных пластов. Способы использования результатов:
а) в качестве научной основы для выполнения ОКР по разработке технологии управления прочностью горных пород в кровле угольного пласта и технологии интенсификации предварительной дегазации угольных пластов комплексным методом гидроразрыва и вибрационного воздействия;
б) прямое использование отдельных научно-технических результатов для развития существующих технологий, например для повышения эффективности направленного гидрроразрыва для посадки кровли в очистных и подготовительных забоях;
в) в качестве отправной точки для выполнения дальнейших научных исследований в области повышения безопасности и эффективности подземной разработки месторождений твердых полезных ископаемых.
Ожидаемый социально-экономический эффект от использования технологий и технических средств, создаваемых на основе полученных результатов, состоит в повышение производительности труда при разупрочнении труднообрушаемой кровли и предварительной дегазации угольных пластов; в снижении опасности катастрофических проявлений газодинамических явлений и, как следствие, в снижении риска смертности при подземной добыче угля; в уменьшении техногенного воздействия на окружающую среду за счет снижения выбросов метана в атмосферу.
Научно-технические результаты, полученные в рамках выполнения настоящего проекта, могут быть использованы в рамках международного сотрудничества с зарубежными компаниями-операторами угольных месторождений. Перспективным направлением развития таких отношений является проведение сервисных работ по повышению продуктивности дегазационных скважин, управлению состоянием кровли, скважинным измерениям геомеханического состояния массива с применением разработанного оборудования в шахтных условиях.

Текущие результаты проекта:
1. Разработаны новые эффективные технические решения для оптимизация технологии повышения продуктивности дегазационных скважин методом направленного гидроразрыва углепородного массива, в .т.ч.:
а) встроенная система транспортирования устройства направленного гидроразрыва в заданный интервал произвольно ориентированной протяженной дегазационной скважины направленного бурения;
б) несекционных (сплошных) линий подачи рабочей жидкости в интервал гидроразрыва на основе рукавов (гибких шлангов) высокого давления;
в) раздельная подача двухкомпонентных химически активные рабочих жидкостей в интервал разрыва по отдельным линиям для получение рабочих жидкостей с заданными свойствами непосредственно в интервале и трещине гидроразрыва;
г) применение твердосплавных инденторов, вдавливаемых по контуру поперечного сечения скважины, для формирования поперечных трещин гидроразрыва;
д) инициаторы поперечного разрыва модульной конструкции с приводом от внешнего давления в межпакерном интервале с мультипликатором усилия вдавливания инденторов в горную породу.
2. Разработаны технические решения управления состоянием кровли угольного пласта, повышающие эффективность технологии направленного гидроразрыва за счет совмещения бурения, создания щелевого инициатора, герметизации призабойного интервала скважины, и закачки под давлением химически активных рабочих жидкостей в одном скважинном устройстве, обеспечивающим выполнение всего указанного комплекса технологических операций за одну проходку скважины. Совмещение направленного гидроразрыва и бурения в одном устройстве исключает возможность пережатия сечения скважины и необходимость ее повторного разбуривания, что повышает эффективность и снижает трудозатраты на выполнение работ.
3. Получены амплитудно-частотные характеристики вибрационных колебаний углепородного массива в окрестности дегазационной скважины, возбуждаемых скважинным дебалансным источником с амплитудой вибротяговой силы в диапазоне от 0.3 до 1,5 тс с шагом 0,3 тс на удалении от 0 до 20 м от виброисточника с шагом 1 м в сейсмическом диапазоне частот о 140 до 300 Гц с шагом 10 Гц для расстояний от источника 0, 5, 10, 15 и 20 м. Полученные результаты составляют основу для решения задачи оптимизации закона регулирования частоты при вибрационном воздействии во времени в зависимости от параметров углепородного массива и требуемого радиуса воздействия.
Разработан вибрационный модуль с составным дебалансом, автоматически снижающим момент дебалансного источника при достижении порогового значения частоты, что обеспечивает расширение полосы рабочих частот до 300 Гц с амплитудой вибротяговой силы до 15 кН (1,5 тС). Определены оптимальные параметры вибрационного модуля, в том числе массы и габариты основного и регулируемого дебалансов, их длина, усилие срабатывания, обеспечивающие повышение равномерности амплитудно-частотной характеристики вибротяговой силы в частотном диапазоне от 50 до 300 Гц. Разработаны технические решения по системам управления работой вибрационного модуля, прижима модуля к стенке дегазационной скважины, энергообеспечения, оптимизированные с точки зрения автоматического регулирования вибротяговой силы, использования в качестве основного энергоносителя сжатого воздуха из шахтного воздуховода, отвода воздуха из дегазационной скважины по отдельной линии для исключения его смешивания с метаном, извлекаемым из угольного пласта.
Для транспортирования дебалансного источника вибрационных колебаний в необсаженных дегазационных скважинах разработан транспортный модуль на основе пневмоударного механизма, для которого определены следующие оптимальные параметры:
а) в качестве энергетического узла системы транспортирования принят ударный узел с бесклапанным энергораспределением;
б) оптимальное значение силы трения при магистральном давлении энергоносителя 0,6 МПа обеспечивающее высокую и стабильную скорость перемещения транспортного модуля составляет 100–150 Н;
в) вес транспортируемых технологических модулей составляет до 35 кг. При этом скорость транспортирования всего комплекса оборудования (транспортного и технологического модулей) составляет не менее 100 м/ч.
4. Разработаны технологические и технические решения по транспортированию разрабатываемого скважинного оборудования в скважинах без использования секционных колон, в т.ч:
а) разработаны и рассчитаны узлы сцепления транспортного модуля на упругом взаимодействии со стенками скважины и с помощью пневмокамеры и распорных кулачков;
б) разработан узел калибровки и очистки скважины, имеющий ступенчатую конструкцию и армирование твердосплавными элементами;
в) определены условия транспортирования фрагментов углепородного массива при очистке скважины;
г) предложен алгоритм управления пневматической системой устройства доставки по мере его продвижения по скважине;
д) для обеспечения безопасности эксплуатации предлагаемого оборудования рекомендовано на его поверхность нанести взрывозащитное покрытие порошковыми металлическими материалами на основе цветных металлов.
5. Разработаны новые эффективные решения по скважинным измерениям геомеханического состояния и газоотдачи угольных пластов, в т.ч.:
а) геомеханический способ скважинных измерений деформационных характеристик горных пород, в т.ч. модуля Юнга и коэффициента Пуассона, включающий измерения деформации контура скважины в интервале продольного гидроразрыва при его нагружении через пакерную оболочку;
б) способ оценки напряжений, включающий выполнение продольного и поперечного гидроразрывов, измерение давлений запирания создаваемых трещин, выполнение деформационных измерений в интервале продольного гидроразрыва и комплексную интерпретацию данных гидроразрывов и деформационных измерений;
в) способ измерения газоотдачи локальной области угольного пласта, включающий создание трещины продольного гидроразрыва и последовательные замеры давления, выходного расхода газа и содержания в нем метана при контролируемом нагружении стенок скважины;
г) оборудование для геомеханических измерений, включающее транспортный модуль, модуль определения ориентации трещины гидроразрыва со встроенным блоком деформационных сенсоров, модуль деформационных измерений, контроллер прибора и электрическое питание электронных узлов;
д) оборудование для измерений газоотдачи и температуры при контролируемом радиально-симметричном нагружении, включающее устройство на основе двухпакерной схемы с удлиненной пакерной оболочкой, имеющее три независимых линии управления и не оснащенное клапаном.
6. Разработаны рецептура составов для интенсификация предварительной дегазации, для разупрочнения труднообрушаемой кровли и укрепления кровли угольных пластов методом направленного гидроразрыва и технологическая инструкция на изготовление в лабораторных условиях экспериментальных партий (образцов) химически активных составов гидроразрыва.