Перспективные технологии дегазации и добычи метана на шахтах центрального Кузбасса

ДЕГАЗАЦИЯ УГОЛЬНЫХ МАССИВОВ

© Н.Н. Красюк, С.С. Золотых,

С.Е. Решетов, Е.А. Косьминов,

2001

УДК 622.8

Н.Н. Красюк, С.С. Золотых,

С.Е. Решетов, Е.А. Косьминов

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЕГАЗАЦИИ И ДОБЫЧИ МЕТАНА НА ШАХТАХ ЦЕНТРАЛЬНОГО КУЗБАССА

В

современных условиях подземной разработки угольных месторождений газовый фактор становится одним из главных препятствий на пути улучшения технико-экономических показателей работы шахт и обеспечения безопасности работ.

В этих условиях выбор способов управления газовыделением, основанных на прогрессивных научных разработках и более совершенных и нетрадиционных технических средствах, является первоочередной задачей при отработке газоносных угольных пластов.

Научные решения проблем дегазации и добычи метана высокогазоносных месторождений основаны на изучении процессов в системах "уголь-газ" с реализацией их в конкретных способах управления газо-выделением в шахтах, комплексных схемах дегазации с применением активных воздействий на углепородный массив. В практике работы газообильных шахт превалирует три группы способов управления газо-выделением - горнотехнические, средствами проветривания и искусственная дегазация.

Первая группа способов предусматривает изменение параметров системы разработки, порядка отработки пластов, управления горным давлением. Являясь высокоэффективными, эти способы не обладают

требуемой оперативностью управления газовыделением, поэтому они применяются в крайних случаях. Наиболее эффективным является способ управления порядком отработки пластов в свите, предусматривающий группирование взаимо-влияющих пластов с последующей их одновременной отработкой. Вопросы управления газовыделением относятся к одному из неотъемлемых элементов технологии отработки угольных пластов, определяющих не только эффективность, но в ряде случаев и саму технологию.

В современных условиях отработка новых вскрытых горизонтов часто планируется и осуществляется со значительным ограничением интенсивности горных работ по газовому фактору. Единственное приемлемое решение, связанное с ликвидацией ограничения по газовому фактору на интенсивность горных работ - использование идеи отработки запасов угля в изолированном от общешахтной атмосферы пространстве, заполненном инертной газовой средой.

При необходимости использования дегазации определяется структура газового баланса выемочного участка и источник газовыделения, имеющий максимальную долю в балансе, для которого устанавливается способ дегазации с учетом опыта в аналогичных горнотехнических условиях. Обычно используется од-

новременно до 4-5 способов, что объясняется увеличением газоносности толщи и снижением ее газо-отдачи.

Использование указанных способов в конкретных условиях регламентируются абсолютной газо-обильностью выемочного участка, которая представлена тремя диапазонами - 0-12 м3/мин; 12-24 м3/мин и более 24 м3/мин.

В первом диапазоне газообиль-ности, управление газовыделением осуществляется средствами вентиляции, но этот способ не отличается стабильностью и при увеличении газообильности, заметно, ухудшаются горнотехнические и экономические показатели работы. При этом с увеличением газообильности очистных забоев снижаются средние значения нагрузки на очистной забой, производительности труда по добыче, возрастают выбросы в атмосферу шахтного газа, содержащего метан, пыль и тепло. Себестоимость добычи угля растет и увеличивается на 12 % от уровня не газовой шахты.

В диапазоне газообильности 12-24 м3/мин эффективное управление газовыделением осуществляется рациональным сочетанием методов вентиляции и дегазации. За счет изолированного отвода части метана, минуя атмосферу горных выработок, сокращаются расходы воздуха вентиляционных струй и выбросы пыли и тепла. Перспективным направлением является промышленное использование метана для повышения энерговооруженности производственных процессов.

Таблица 1

Параметры извлекаемой метановоздушной смеси при различных способах дегазации

Таблица 2

ПОКАЗАТЕЛИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАНА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБАХ ДЕГАЗАЦИИ

При газообильности выемочного участка более 24 м3/мин рекомендуется его отработка в инертной газовой среде. Применение этого способа обеспечивает снятие ограничения по газовому фактору, сокращение выбросов в атмосферу шахтного газа, пыли и тепла, интенсивную утилизацию метана. Большинство шахт в настоящее время эксплуатируются в условиях второго диапазона газо-

обильности, в связи, с чем превалирует управление газовыделением с помощью дегазации, которая насчитывает более 30 способов и технологических схем, наиболее распространенными из которых являются:

• предварительная пластовая дегазация;

• дегазация выработанного пространства скважинами, пробуренными с поверхности;

• дегазация выработанного пространства скважинами из подготовительных выработок;

• барьерная дегазация.

Предварительная дегазация, как

правило, производится при наличии неразгруженного горного массива и применяется для снижения метано-обильности призабойного пространства лавы за счет каптажа метана из пласта до начала очистных работ.

Преимуществами способа являются снижение экстремальных выделений метана в период ведения очистных работ, возможность значительно повысить нагрузку на очистной забой, возможность комплексного использования пластовых дегазационных скважин для нагнетания воды в пласт в целях борьбы с пылеобра-зованием.

К недостаткам относятся - длительный период предварительной дегазации (свыше 100-150 суток), ограниченная область применения из-за низкой газопроницаемости разрабатываемых пластов и техническая сложность бурения пластовых скважин с вязкими и сыпучими углями. Эффективность предварительной дегазации определяется газопроницаемостью угольных пластов, сеткой заложения скважин и продолжительностью их эксплуатации.

При ведении очистных работ осуществляется разгрузка от горного давления больших массивов газонасыщенных горных пород. Метан из выработанного пространства и всего разгруженного массива извлекается подземными скважинами, пробуренными из действующих выработок в выработанные пространства, купола обрушения горных пород; перфорированными газопроводами, располагаемыми в выработанном пространстве; газодренажными выработками, пройденными в разгруженном горном массиве; вертикальными скважинами, пробуренными с поверхности в выработанное пространство и разгруженный горный массив. При извлечении метана подземными скважинами или перфорированными патрубками концентрация метана в извлекаемом газе низкая (2-18 %) из-за хорошей аэродинамической связи между этими сооружениями, находящимися в разгруженном массиве, и атмосферой горных выработок. Вместо скважин в некоторых случаях предусматривается проведение газодренажных выработок по разгружаемому пласту или газо-

носным породам. Наиболее технологичным и эффективным способом извлечения метана в широком диапазоне горно-геологических условий являются вертикальные скважины, пробуренные с поверхности в разгруженный горный массив. Этот способ позволяет извлекать метан из всех источников (сближенные пласты, газоносные породы и выработанные пространства), разделить в пространстве горные работы и работы по извлечению газа, применить мощную буровую технику и уменьшить общий объем работ по дегазации. Разгруженный массив представляет собой аккумулятор метана с повышенной на 2-4 порядка газопроницаемостью по сравнению с нетронутым массивом. Наибольший эффект вертикальных скважин с поверхности лает их применение в условиях подработки или с оставлением угля, что обусловлено наибольшим газовыделением в выработанном пространстве. Данный способ дегазации успешно применяется на шахтах Кузнецкого бассейна, где, к примеру, в ОАО «УК Ленинск-уголь» в год бурится в среднем около 150 скважин протяженностью свыше 70 тыс. м. Однако, несмотря на широкое использование способа, необходимо отметить весьма серьезный его недостаток: хотя газовы-деление из вертикальных скважин большое, влияние их на газовыделе-ние в выработки невелико. Низкая эффективность вертикальных скважин объясняется тем, что значительную долю извлекаемого ими метана составляет метан, выделяющийся из пластов, пропластков и слоев пород, удаленных от разрабатываемого пласта. В обычных условиях метан из указанных источников не проникает в выработанное пространство или выделяется в небольших количествах.

Вертикальные скважины увеличивают извлечение метана из подработанных пластов и пород в 1,5-2 раза и являются не столько дегазирующими, сколько метановыделяющими (или метанодобывающи-

ми). Если этот факт считать недостатком в вопросе эффективности дегазации действующих выработок шахты, то в технологии извлечения (добычи) метана как энергоносителя для целей промышленной утилизации и химического производства, он является положительным. Другой недостаток способа высокая стоимость буровых и монтажнодемонтажных работ - может быть несколько компенсирован бурением вместо вертикальных вертикально-гори-зонтальных или наклонногоризонтальных скважин. Несмотря на недостатки, способ обеспечивает: • большую глубину дегазации подрабатываемого массива;

• возможность комплексной дегазации пластов-спутников и выработанного пространства одной скважиной;

• отсутствие необходимости в сооружении капитальной вакуумной установки, подземных газопроводов, буровых камер по породе;

• возможность ведения дегазационных работ независимо от очистных. Широко используется дегазация выработанного пространства скважинами, пробуренными из горных выработок. При отработке сближенных пластов в благоприятных горно-геологических условиях используется пластовая дегазация под- и надрабатываемых пластов. Дегазация барьерными скважинами осуществляется для снижения газо-обильности подготовительных выработок. Параметры извлекаемого газа основными способами дегазации представлены в табл. 1.

С углублением горных работ снижается эффективность всех способов дегазации. Так, продуктивность пластовых скважин снижается в 2-3 раза на каждые 100 м углубления горных работ. Эффективность наиболее распространенного способа дегазации выработанного пространства с помощью вертикальных скважин с поверхности после достижения максимума на глубинах 400-500 м также снижается. В этом случае при увеличении глубины

разработки на 100 м дебит метановоздушной смеси снижается более чем в 1,4 раза. С учетом большой стоимости сооружения таких скважин и повышения их аварийности с углублением применение данного способа на глубинах более 700 м бывает экономически неоправданным. Одна из основных причин этого - снижение газопроницаемости угольных пластов и вмещающих пород с углублением горных работ и, следовательно, газоотдачи угля. Поэтому без способов, основанных на искусственном повышении проницаемости угольных пластов, невозможна интенсивная дегазационная подготовка угольных пластов к очистной выемке. Предложенный в Московском горном институте проф. Н.В. Ножкиным способ заблаговременной дегазации угольных пластов путем их гидрорасчленения через скважины с поверхности, в значительной степени способствует решению проблемы.

Данный способ позволяет снизить уровень "газового барьера" при ведении подготовительных и очист-

ных работ.

В современных условиях для обеспечения нормальной газовой обстановки выемочного участка одновременно применяют 4-5 различных способов дегазации. В практике горных работ наибольшее распространение получили комплексные схемы дегазации основных источников газовыделения:

• схемы, включающие дегазацию сближенных пластов и отсос газа из выработанного пространства. Применяются главным образом при разработке пластов тонких и средней мощности, когда в структуре газового баланса участка преобладает газовыделение из сближенных пластов;

• схемы, включающие дегазацию разрабатываемого пласта и удаление газа из выработанного пространства. Применяются при разработке мощных и средней мощности одиночных газоносных пластов;

• схемы, включающие дегазацию разрабатываемого пласта, сближенных пластов и выработанного пространства. Применяются при разра-

ботке свиты угольных пластов. При анализе извлекаемой газовой смеси различными способами дегазации следует учитывать большое число параметров: концентрацию и дебит, нестабильность концентрации и дебита во времени, их максимальные значения и др. Однако, вместе с этими техническими характеристиками существует важнейший показатель безопасности - принятый уровень допустимой концентрации метана в смеси. Считая этот параметр основополагающим, оценим различные способы дегазации. Анализ данных по распределению концентрации смеси во времени по основным способам дегазации (табл. 2.) показывает, что только вертикальные скважины с поверхности и пластовые в зонах гидрорасчленения более половины времени дают кондиционную смесь (соответственно 67 % и 59 % общего времени работы источников). У остальных способов, в том числе и предварительной пластовой дегазации, это время не превышает 35 %.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

а

Красюк Николай Николаевич - профессор, доктор технических наук, зам. зав. кафедрой «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых», Московский государственный горный университет.

Золотых Станислав Станиславович - кандидат технических наук, ОАО «УК Кузбассуголь».

Решетов Сергей Ефимович - кандидат технических наук, ОАО «УК Кузбассуголь».

Косьминов Евгений Алексеевич - кандидат технических наук, ОАО «УК Кузбассуголь».