Совершенствование технологии управления метановыделением на высокопроизводительных выемочных участках

А.Д. Рубан, В.С. Забурдяев

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ УПРАВЛЕНИЯ МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЕМ НА ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКАХ

Лрименение прогрессивной технологии ведения очистных работ в метанообильных шахтах и интенсификация угледобычи невозможны без рационального сочетания способов управления газовыделением средствами вентиляции и дегазации. При этом преимущество следует отдавать дегазации с последующей утилизацией каптируемого метана, что соответствует современным требованиям безопасности ведения подземных работ по газовому фактору и рационального использования природных ресурсов.

Опыт работы стационарных вакуумно-насосных станций (ВНС) на шахтах Воркутского угольного месторождения (табл. 1), свидетельствует о следующем:

- все шахты работают с дегазацией и в промышленных масштабах используют каптируемый метан, доля которого составляет 30-50 %;

- доля каптируемого на выемочных участках метана превышает долю выдаваемого метана средствами вентиляции и изменяется в пределах 50-90 % при средней величине - 72 %;

- достаточно высоким объемам утилизации каптируемого в шахтах метана способствует высокое качество герметизации устьев скважин, что позволяет поддерживать концентрацию метана в каптируемой газовоздушной смеси в пределах 50-90 % на скважинах, 4080 % на участковых газопроводах и 35-60 % на магистральных.

Совсем иная ситуация с технологией ведения дегазационных работ сложилась на шахтах Кузбасса, где до сих пор в промышленных масштабах не используется каптируемый метан.

250

Таблица 1

Показатели работы дегазационных систем на шахтах Воркуты

Шахта Показатели работы ВНС Угольный пласт Метанообильность по прогнозу, м3/мин Количество метана, отводимого из участка, м3/мин Концентрация метана, %

количество извлекаемого метана, м3/мин концентраци) метана в каптируемой смеси, % количество утилизированного метана, м3/мин всего дегазацией в скважинах в газопр участковом оводе Магистраль-ном

«Заполярная» 40,4 26,1 39 Четвертый 34,2 50,2 36 87 80 73

«Северная» 38 38 43 80 28,1 36,3 Тройной Тройной Четвертый 20,7 32.4 59.5 16,8 19 52,2 16 17,4 36,3 40-100 50-100 95-100 45-70 45-100 55-100 45-70 70 80

«Комсомольская» 36 38 56 66 20 25 Мощный Четвертый 35 32 28,4 35,8 20 25 45 45 42 42 38 38

«Воркутинская» 59,3 40 Четвертый Четвертый Тройной Тройной 32,4 28,1 49 37,7 10,3 14,9 32.2 27,1 10.3 14,9 48 46 52 64 48 46 45 44 48 59

25,2 50 25,2

«Аяч-Яга» ВНС шахты «Северная» Ъ Ъ н/д н/д 17,9 21,7 10,2 11,2 76 74 65 62 52 52

«Воргашорская» 25 43 10,9 Мощный 5,6 10,8 5,2 38 35 32

Всего по Ворку те: 300 184,5 364,7 261,8

Опытные работы проводились только на шахтах «Комсомолец» и «Чертинская», где на первой проведены испытания опытной российской газомоторной установки, а на второй - силовой газомоторной установки «Катерпиллар» на 1000 кВт электрической и 1 Гкалч тепловой энергии. Концентрация метана в каптируемых на выемочных участках смесях составляет 3-55 %, при этом более высокие ее значения соответствуют применению передвижных наземных дегазационных установок на тех шахтах, где скважины были пробурены с земной поверхности для дегазации сближенных пластов угля и выработанного пространства (табл. 2).

На низкую долю каптируемого метана в газовой структуре выемочных участков существенное влияние оказывало широкое применение газоотсасывающих вентиляторных установок, которым на шахтах Кузбасса до сих пор отводится главная роль для отвода метана из выемочных участков через выработанное пространство на поверхность за счет высокой производительности газоотсасывающих вентиляторов. В этих условиях наблюдаются 1) низкое содержание метана в извлекаемых таким способом газовоздушных смесях, 2) потери высококалорийного энергоносителя каковым является метан и 3) большие объемы выбросов метана в атмосферу Земли, загрязняя ее весьма стойким парниковым газом.

Низкое качество герметизации устьев подземных скважин, пробуренных в купола обрушения, не позволяет извлекать кондиционные по метану газовоздушные смеси, о чем свидетельствуют данные табл. 2. Исключением по кондиционности метана являются только скважины, пробуренные с земной поверхности на сближенные пласты и в выработанные пространства, в том числе ранее отработанные (шахты им. С.М.Кирова, «Чертинская», «Есаульская», «Полысаевская») с использованием передвижных наземных ВНС.

В последние годы, в связи с участившимися случаями взрывов метановоздушных смесей, порой с катастрофическими последствиями, на шахтах Кузбасса стали больше внимания уделять техно -логическим схемам дегазации основных источников метановыде-ления с прицелом на последующую утилизацию каптируемых смесей.

252

Так, в табл. 3-6 приведены показатели дегазации угольных пластов и выработанных пространств на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс», свидетельствующие о возрастающей роли дегазации при выборе способов управления газовыделением на выемочных участках. При этом значительное внимание пока уделяется применению передвижных наземных дегазационных установок, причем как для извлечения метана из сближенных угольных пластов и выработанных пространств, так и из разрабатываемых пластов угля. Это вызвано, прежде всего, отсутствием на ряде шахт стационарных вакуум-насосных станций и всевозрастающим числом высокопроизводительных очистных забоев, где стабильная работа угледобывающей техники существенно зависит не только от схем проветривания, но и от эффективного извлечения метана из сближенных и разрабатываемых пластов угля.

Опыт использования передвижных наземных дегазационных установок на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс» приведен в табл. 3, в которой показаны результаты дегазации сближенных пластов угля и выработанных пространств, а также разрабатываемых угольных пластов, с помощью вакуумных насосов ВВН-50 и ВВН-150. Меньшие дебиты каптируемого метана относятся к предварительной пластовой дегазации неразгруженных от горного давления угольных массивов, либо к извлечению метана из выработанного пространства действующих лав в тех случаях, когда отсутствуют подрабатываемые сближенные пласты угля.

В табл. 4 и 5 сведены показатели извлечения метана на шахтах ОАО «СУЭК» в 2005 и 2006 гг. с использованием газоотсасываю-щих вентиляторных установок и вакуумных насосов, включая содержание метана в извлекаемых газовоздушных смесях средствами вентиляции, газоотсоса и дегазации. Обращают на себя внимание 1) существенный рост метанообильности высокопроизводительных шахт, 2) наличие взрывоопасных концентраций метана в случаях применения газоотсасывающих вентиляторных установок и 3) недостаточные объемы извлечения метана средствами дегазации, преимущественно на шахтах с невысокой метанообильностью (шахты «Егозовская», №7, «Котинская», «Талдинская-Западная 1») или при использовании высокопроизводительных газоотсасываю-щих вентиляторных установок (шахта «Октябрьская»).

253

5 Таблица 2

Показатели работы дегазационных систем на шахтах Кузбасса

Шахта Показатели работы ВНС Индекс угольного пласта Метано-обильность по прогно- 3зу, м3/мин Количество метана, отводимого из участка, м3/мин Концентрация метана, %

количество извлекаемого метана, м3/мин концентрация метана в каптируемой смеси, % количество утилизирован-ного метана, м3/мин всего дегазацией в скважинах в газопроводе

участковом магистральном

Им. С.М.К ирова - 24 18 15 Скважины с поверхности 30

18 14 11 35

«Комсомолец» 12 30 3,6 17 Выработанное пространство 4,4 19,1 3,6 То же 12

Предварительная дегазация 2 8,8 1,7 7 - -

«Полыса-евская» 18,2 18 20 18,2 Газоотсос 6,5

39,9 55 - 17 43,4 39,9 Газоотсос и скважина с поверхности 5,8/55

«Октябрьская» 22,9 9 16,7 1,6 3,5

8 6,2 4 3,6

«Чертин- 126,5 30-35 40 5 21,2 36,6 32,3 Передвижные 15

ская» дегазационные установки

3 7,5 1,8 - 0,6 -

«Абашев- 4,3 6 - 16 21,3 7,8 1,8 10 8 6

ская» 7 - 14 20,8 9,1 2,5 12 10 7

«Алардин-ская» 0,5 3 - 3-3а 12,6 6,5 0,5 5 3 3

«Есаульская» 12,3 35 - 29 76,5 80,3 12,3 50 42 35

«Осинни-ковская» 8 8 - К1 10,2 11,3 3,5 545 3,2 3,2

«Томская» 0,9 3 - 6 7,4 17,6 10,6 15 5 3

«Юбилейная» 17 85 - 16 56,5 50 3,1 17 3 1

«Усин-ская» 2,7 27 - 4 4,4 4,4 2,7 29 28 27

6 9,2 7,2 0,55 3,5 3,5 3,5

«Распад-ская» 6 9 11,9 0,5 3,5 3,5 3,5

5,25 3,5 - 6 12,7 1,5 0,7 3,3 3,3 3,3

6 9,1 15,7 1,8 3,4 3,4 3,4

10 5,1 11,2 1,7 3,4 3,4 -

ы м м

Таблица 3

Объекты и условия применения передвижных наземных дегазационных установок

Шахта Лава Дегазационная установка Параметры скважины Расход Метановоз-душной смеси, м3/мин Концентрация метана в смеси, % Дебит каптированного метана, м3/мин

диаметр, мм глубина, м

Им. С.М.Кирова 24-44 ВВН-50 219 200 30 35 10,5

25-87-2 ВВН-50 219 230 30 15 4,5

25-86 ВВН-50 219 250 30 3 0,9

24-46 ВВН-150 219 170 50 37 18,5

25-87-1 ВВН-150 219 170 50 8 4,0

«Комсомолец» 301 ВВН-50 168 250 40 18 7,2

17-26 ВВН-150 150 430 80 22 17,6

«Октябрьская» 992 ВВН-50 150 300 20 7 1,4

«Колмогоровская» 15-20 ВВН-50 132 170 42 1,9 0,8

«Красноярская» 13-14 ВВН-150 159 294 75 18 13,5

Таблица 4

Объемы извлечения шахтного метана

Шахта Объемы (м3/мин) и концентрация (%) извлеченного метана

Вентиляцией Газоотсасывающими вентиляторами Вакуум-насосами Всего, м3/мин

Им. С.М.Кирова 35,6*) 0,1-0,4 57,2 0,4-0,12 70,4 3-80 163,2

«Красноярская» 19,4 0,2-0,4 - 4,1 5 23,5

Им. 7 Ноября 36,6 0,1-0,6 17,7 1-3 - 54,3

«Егозовская» 17 0,1-0,2 34,8 1-6 68 10 8,5

«Комсомолец» 31,6 0,1-0,3 30,2 15-25 96,6

«Полысаевская» 10,7 0,1-0,2 75,1 6-9 45,6 16-72 131,5

«Октябрьская» 18 0,2-0,3 59,6 3-6 2,4 5-6 80

«Колмогоровская» 48 0,1-0,35 - - 4,8

«Талдинская-Западная 1» И 0,2-0,6 - - 7,5

«Талдинская-Западная 2» 0,13 0,02-0,05 - - 0,13

№7 24 2 4,4

0,05-0,15 4-6

ШУ «Котинское» 12 0,1-0,2 - 2 4-7 3,4

Всего: 169,63 244,4 163,5 577,83

•л

-4

8 ' Числитель - объемы метана, м /мин; знаменатель - концентрация метана, %

Таблица 5

Объемы извлечения шахтного метана

Шахта Объемы (м3/мин) и концентрация (%) извлеченного метана

Вентиляцией Газоотсасывающими вентиляторами Вакуум-насосами Всего, м3/мин

Им. С.М.Кирова 35,6*) 0,1-0,4 72,9 2-13 88,4 5-85 196,9

«Красноярская» 15,8 0,1-0,4 - 42 6 20

Им. 7 Ноября 26,2 0,1-0,6 28 1,0 - 29

«Егозовская» 48 0,1-0,2 17,4 1-5 88 11 13,6

«Комсомолец» 25,4 0,1-0,2 19,2 15-18 62

«Полысаевская» 18,3 0,1-0,2 82,1 6-10 45,6 17-80 146

«Октябрьская» 20 0,2-0,3 84,7 4-7 12 7,8 105,9

«Колмогоровская» 48 0,1-0,4 - - 4,8

«Талдинская-Западная 1» 64 0,1-0,4 - 10-14 11,2

«Талдинская-Западная 2» 03 0,05-0,1 - 22 4-8 0,3

№7 31 0,05-0,15 - 5,3

ШУ «Котинское» 29 0,1-0,3 - 2И 4-9 5,6

Всего:_| 163,6 |_259,9_|_177,1_| 600,6

*) Числитель - объемы метана, м3/мин; знаменатель - концентрация метана, % Таблица 6

Метанообильность выемочных участков и средства газоуправления на шахте им. С.М. Кирова

Метанообильность, м3/мин Средства и показатели газоуправления на выемочном участке

Шахты (по итогам 2005г.) Выемочного участка УВЦГ-9 Дегазационная установка

Общая Очистного забоя Выработанного пространства Производительность, м3/мин Концентрация метана, % Метаноудаление, м3/мин Производительность, м3/мин Концентрация метана, % Метаноизвлечение, м3/мин

163,2 Лава 24-48*)

88,9 8 80,9 550 7,5 41,3 120***) 33 39,6

25****) 15 3,7

Лава 24-49**)

99,5 10,4 89,1 550 10 55 120***) 28,1 34,1

25****) 8 2

Лава 25-90**)

39,2 14,8 24,4 509 3,4 17,3 20,2****) 35 7,1

*) Усредненные данные за январь 2006 г. **) Усредненные данные за декабрь 2006 г.

***) Вакуумный насос ВВН-150, скважины с поверхности в выработанное пространство ****) Вакуумный насос ВВН-50

ы м

чо

При выборе способов управления газовыделением на выемочных участках и полях необходимо учитывать неравномерность метановы-деления, которая существенно зависит от сменной и суточной нагрузки на лаву и наблюдается в местах закрытых геологических нарушений, в периоды посадки основной кровли, если в ней залегают пласты угля, интенсивно разгружаемые от горного давления, либо в случаях снижения эффективности дегазации и нарушений в системе вентиляции, приводящих к резкому росту концентрации метана в выработках добычных участков и формированию опасных по газу ситуаций. В таких случаях должен быть резерв производительности дегазационных систем по извлечению метана из сближенных пластов угля и выработанных пространств. Такой резерв предусмотрен в РД-15-09-2006, но при работе очистных забоев следует обращать внимание на предвестники суфлярных выделений метана, как правило, предшествующие последующему обильному выделению газов. Они чаще всего наблюдаются при разломах пород почвы, в которых залегают надрабаты-ваемые пласты угля. В таких горнотехнических условиях необходимо проводить дегазацию надрабатываемой угленосной толщи.

Очередность выемки пластов угля в угленосной свите предопределяет интенсивность метановыделения на выемочных участках, де-биты каптируемого метана и отводимого газоотсасывающими вентиляторными установками. Так, на горном отводе шахты им. С.М.Кирова в блоке №3 первым из сближенных пластов угля отрабатывался пласт «Болдыревский» лавами 24-48 и 24-49, а затем под участком лавы 24-48 начали отрабатывать пласт «Поленовский», залегающие в 42 м ниже пласта «Болдыревский». При отработке пласта «Болдыревский» подрабатывались сближенные пласты «Брусницин-ский» и «Майеровский» общей мощностью 2,8 м при междупластье 33-40 м и надрабатывался пласт «Промежуточный» мощностью 1,5 м в 9 метрах от пласта «Болдыревский». При отработке пласта «Поле-новский» мощностью 1,7 м надрабатывался пласт «Подполеновский» мощностью 0,65 м, залегающий в 6 м под пластом «Поленовский». Еще ниже распологались пласты «Максимовский» и «Подмаксимов-ский» общей мощностью 1,8 м на удалении по нормам соответственно 52 и 57 м.

В табл. 6 приведены сравнительные показатели метанообильно-сти выемочных участков по пластам «Болдыревскому» и «Поленов-скому» при работе лав 24-48, 24-49 и 25-90 с применением средств газоотсоса установкой УВЦГ-9 (лавы по пластам «Болдыревский» и

260

«Поленовский») и дегазационных установок с вакуум-насосами ВВН-150 для извлечения метана из сближенных пластов и выработанного пространства (лавы 24-48 и 24-49) и ВВН-50 для предварительной дегазации пластов «Болдыревский» (лавы 24-48 и 24-49) и «Поленов-ский» (лава 25-90).

Из таблицы 6 видно, что метанообильность выемочных участков пласта «Болдыревский» в 2,3-2,5 раза выше метанообильности лавы по пласту «Поленовский», главным образом за счет различных объемов метановыделения из сближенных пластов угля. В лавах по пласту «Болдыревский» метан выделяется не только из разрабатываемого пласта, но и из подрабатываемых и надрабатываемого пластов, а в лаве по пласту «Поленовский» - из отрабатываемого и надрабатываемо-го пластов угля.

Чтобы превысить достигнутые по газовому фактору нагрузки на очистной забой, равные 9-10 тыс. т угля в сутки, необходимо повышать эффективность технологических схем дегазации разрабатываемых и сближенных угольных пластов и осваивать технологию дегазации надрабатываемых пластов угля. Особо это касается лав по пласту «Болдыревский», где метанообильность формируется тремя основными источниками метановыделения.

Таким образом, на этапе подготовки проекта дегазации пластов угля достаточно учитывать рекомендации РД-15-09-2006 с последующей корректировкой параметров дегазации источников метана. Для повышения эффективности технологических решений по дегазации разрабатываемых угольных пластов на высокопроизводительных выемочных участках необходимо предусматривать в схеме перекрещивающихся скважин бурение длинных направленной трассы ориентированных на очистной забой скважин из фланговых и/или диагональных выработок, разрезающих выемочный участок пласта на части. Возможен также вариант бурения таких скважин веером из выработки при одной установке бурового станка. гттш

— Коротко об авторах -

Рубан А.Д. - чл.-корр. РАН, доктор технических наук, профессор,

Забурдяев В.С. - кандидат технических наук,

Институт проблем комплексного освоения недр РАН. --© А.Д. Алексеев, Э.П. Фельдман,

261