Пилотные испытания непрерывного отбора газа с улучшенными L-образными скважинами из районов выработки и забоя

Преобразование шахтной опасности в источник чистой энергии

Угольные шахты производят не только уголь. Они также выделяют большие объемы метана — взрывоопасного газа, который может вызвать смертельные взрывы под землей и усугубляет изменение климата, если попадает в атмосферу. В этом исследовании рассматривается, как особый тип изогнутой «L-образной» скважины, пробуренной с поверхности, можно переработать так, чтобы одна скважина безопасно и эффективно собирала метан как во время выемки пласта, так и длительно после ухода горняков.

Почему метан в угольных шахтах важен

Для угледобывающих регионов метан — и опасность, и ресурс. Высокие концентрации газа могут вызывать внезапные выбросы в действующих выработках и питать тлеющие пожары в старых обрушенных зонах, известных как выработанное пространство (гоф). В то же время этот метан по сути является природным газом, который можно использовать как топливо при его улавливании. Во многих странах бурят скважины в пласты до и после добычи, чтобы снизить риски и собрать газ, но результаты сильно различаются. В Китае, например, средняя отдача с одной газовой скважины низка, а стабильная продукция часто длится недолго, что затрудняет окупаемость инвестиций.

Как L-образные скважины должны помогать

L-образные скважины бурят вниз с поверхности, а затем выводят горизонтально, так что длинная часть проходит над или рядом с угольным пластом. Такая схема позволяет одной скважине охватить целую панель разработки, не мешая подземным работам. Теоретически такие скважины могут отводить метан из нарушенных пород над рабочим забоем, а позже — из разрушенных пород и оставшегося угля в выработанном пространстве. Авторы исследовали три такие скважины на крупнейших шахтах провинции Шаньси, отслеживая, сколько газа они давали сначала во время добычи, а затем после забрасывания панелей.

Что пошло не так в реальных шахтах

Только одна из трех опытных скважин давала достаточно метана в долгосрочной перспективе, чтобы считаться прибыльной. Детальные измерения показали, что в двух неудачных случаях горизонтальная часть L-образной скважины оказалась слишком высоко над сетью трещин, по которой фактически перемещается газ, выделяющийся из угля. Без стабильного пути потока между разрушенным углем и скважиной добыча быстро падала. Кроме того, нижняя часть каждой скважины осталась открытой без цементирования для поддержания; по мере оседания и сдвигов перекрывающих пород после добычи эта секция подвергалась изгибу и деформации, что дополнительно нарушало подачу газа и сокращало срок службы скважин.

Проектирование одной скважины для двух задач

Опираясь на наблюдения, теории горной механики и компьютерные моделирования, исследователи предложили новую концепцию «одна скважина — две цели». Вместо простой единой горизонтали длинный участок разделён на две части, размещённые на разных высотах внутри основной зоны трещинообразования над разрабатываемым пластом. Около 60 % длины располагается в нижней части этой зоны, где трещины шире и газ течёт легче, а оставшиеся 40 % — чуть выше, в более прочных породах, которые лучше противостоят сжатию и обрушению. Сам ствол скважины модернизирован до крупного диаметра с двухсекционной конструкцией и аккуратным поэтапным цементированием в вертикальной и наклонной частях, а в горизонтальной установлена щелевая обсадная труба, позволяющая газу входить без нарушения опоры пород.

Сохранение газопотока от забоя до выработанного пространства

Улучшенная компоновка сочетается с гибкой стратегией откачки. Во время активной добычи, когда давление газа высоко и образуются новые трещины, на поверхность подаётся сильное отрицательное давление, чтобы быстро отводить метан и обеспечивать безопасность забоя. После остановки добычи и оседания выработанного пространства всасывание снижает, чтобы не засосать слишком много воздуха, но при этом фиксируется замедленное поступление газа из остаточного угля и соседних пластов. Поскольку та же L-образная скважина теперь механически стабильна и хорошо связана с сетью трещин, она может работать около шести лет, охватывая обе фазы и обеспечивая общее извлечение газа сопоставимое с результатом отдельных скважин, спроектированных для каждой стадии.

Что это значит для шахт и окружающей среды

Проще говоря, исследование показывает, что тщательное размещение и конструкция L-образных скважин могут превратить короткоживущий, рискованный инструмент газового контроля в долговременную скважину двойного назначения. Расположив горизонтальную часть там, где трещины действительно проводят метан, и укрепив ствол так, чтобы он выдерживал движение пород, одна скважина может безопасно отводить газ во время работ и продолжать улавливать метан из выработанного пространства после. Это делает более эффективным использование бюджетов на бурение, помогает предотвращать взрывы и пожары и сокращает выбросы метана от угледобычи, превращая скрытую опасность в полезное топливо.

Цитирование: Zhang, J., Qin, Y., Li, G. et al. Pilot tests of continuous gas extraction with improved L-shaped wells from mining and goaf areas. Sci Rep 16, 16597 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41494-3

Ключевые слова: метан из угольных пластов, L-образные скважины, угледобыча, отвод метана, газ из выработанного пространства