Пути повышения эффективности дегазации угольных пластов Кузбасса

Л.А. Шевченко

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕГАЗАЦИИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ КУЗБАССА

Дана оценка газовой опасности шахт Кузбасса за последние 12 лет. Указаны основные причины крупных аварий с тяжелыми последствиями. Утверждается, что единственной технически возможной мерой устранения причин взрывов является дегазация угольных пластов до необходимого уровня. Приведена методика расчета параметров дегазации, обеспечивающих высокие темпы очистных работ без ограничений по газовому фактору.

Ключевые слова: газообильность, метановыделение, загазированый забой.

Одной из проблем современного горного производства является проблема угольного метана, прежде всего с точки зрения повышения безопасности горных работ и их экономической эффективности. Современные тенденции при подземной добыче угля характеризуются высокими темпами подвигания забоев, что обусловлено возможностями выемочной техники нового поколения с одной стороны и непрерывным ростом газообиль-ности горных выработок с другой. В связи с этим дальнейший рост добычи угля в Кузбассе невозможен без кардинального решения проблемы газового фактора угольных шахт, взрывов и вспышек метана в горных выработках.

Анализ результатов газовых съемок, проведенных на выемочных участках шахт, где работают высокопроизводительные очистные комплексы, показывает, что структура газового баланса с повышением нагрузки на очистной забой и увеличением скорости его подвигания заметно меняется, что выражается в росте газовыделения из разрабатываемого пласта (обнаженная поверхность забоя плюс, отбитый уголь) и снижения доли газа, поступающего из выработанного пространства.

Противоречия между тенденциями роста производительности забоев и повышенным метановыделением из угольного массива, не подверженного предварительной дегазации, зачастую перерастает в крупные аварии с групповыми несчастными случаями со смертельным исходом. Так за предыдущие 12 лет на шахтах Кузбасса только при взрывах метановоздушной смеси, погибли 431 человек,

в том числе 91 человек в 2010 году на шахте «Распадская». Всего на шахтах Кузбасса за этот период погибли 915 человек. Вместе с тем на шахтах Кузбасса из года в год растет число загазирований очистных и подготовительных забоев и других инцидентов, способных вызвать аварийные ситуации, что обусловлено непрерывным углублением горных работ и использованием высокопроизводительной выемочной техники, способной осуществлять более интенсивное воздействие на угольный пласт и соответственно поступление больших объемов метана в горные выработки.

На рис. 1 представлена диаграмма, характеризующая динамику роста числа загазирований горных выработок за последние восемь лет.

Высокие темпы роста числа загазирований забоев требуют принятия незамедлительных мер, направленных на повышение безопасности горных работ по газовому фактору. В настоящее время реальными направлениями в решении данной проблемы являются организационные мероприятия в виде ужесточения надзора за выделением подземной угледобычи и технические, в качестве которых важнейшее значение имеет дегазация угольных пластов [1].

Снижение числа загазирований в 2009 году на рис. 1 как раз является следствием реализации более жестких мер по соблюдению газового режима шахт со стороны Южно-Сибирского управления Ростехнадзора России, которые оно проводит в течение последних двух лет.

Вместе с тем, одни организационные мероприятия, естественно, не могут обеспечить высокой степени безопасности работ в подземных условиях ввиду специфики и непредсказуемости процессов газовыделения из угольных пластов и особенно пластов

большой мощности, с различными углами залегания и большим количеством геологических нарушений, что весьма характерно для Кузбасса.

Поэтому в качестве основных технических мероприятий по повышению без, „ „ опасности подземной угле-

Рис. 1. Число загазирований горных выра- _

боток на шахтах Кузбасса Л°бычи следует рассматри-

вать искусственную дегазацию угольных пластов как обязательную технологическую процедуру, предшествующую началу очистных работ. При этом возникает ряд практических вопросов, связанных с обоснованием конечных параметров дегазационных систем, обеспечивающих безаварийную отработку угольных пластов, основными из которых являются остаточная газоносность, схема расположения скважин, их количество и время функционирования^].

Предварительная пластовая дегазация может осуществляться скважинами различной ориентации в пространстве относительно основных систем трещин в угольном пласте, в связи, с чем она имеет разную эффективность

Существуют разные подходы к проектированию параметров дегазации, обеспечивающих снижение природной газоносности пластов до заданного уровня за определенный период времени.

Значение остаточной газоносности угольного пласта, подготовленного к выемке, ранее не устанавливалась ни одним нормативным документом и лишь после катастрофических аварий, происшедших в Кузбассе в последние три года встал вопрос о нижнем пределе газоносности, превышение которого в обязательном порядке требует проведения дегазационных работ.

Величина этого критерия во многом зависит как от природных, так и технологических факторов проектируемых шахт, а также от сроков, отведенных для дегазационной подготовки угольного пласта. В настоящее время в Кузбассе директивно установлен предел остаточной газоносности 9м3/т, при котором можно начинать разработку угольного месторождения, хотя в масштабе России этот вопрос является дискуссионным и может быть конкретизирован в новой редакции инструкции по дегазации угольных шихт.

В качестве примера рассмотрим подготавливаемый к выемке угольный пласт мощностью 2 м, размерами блока по простиранию 2 км, на котором смонтирована лава длиной 250 м. Природная газоносность пласта составила 18 м3/т. Тогда объем блока составит 1 млн. м3, а масса угля, сосредоточенного в нем 1,3 млн т. Общие запасы метана, сорбированного в угле будут равны 23,4 млн м3. Для снижения природной газоносности данного пласта до 9 м3/т необходимо извлечь 11,7 млн. м3 метана средствами дегазации.

Для решения вопроса о количестве скважин и времени их функционирования необходимо знать характер и темпы газовыделения в скважины на данном пласте. Как показывают многолетние наблюде-

ния на дегазационных скважинах в различных горногеологических условиях Кузбасса дебит газа в скважину и темпы его снижения зависят от ее положений в плоскости пласта, его газопроницаемости, начальной (природной) газоносности, длины и диаметра скважины и времени работы под вакуумом. Точные значения дебита каждой скважины и характера его изменения можно получить только экспериментальным путем, что требует на начальном этапе некоторого времени, определяющего надежность полученных результатов [3].

На рис. 2 представлены кривые газовыделения в скважины различной ориентации на некоторых пластах Кузбасса.

Большой разброс значений начального дебита газа в скважины разной ориентации в пласте объясняется неоднородностью фильтрационных свойств угольного массива по напластованию и в перпендикулярном к нему направлении. Вместе с тем, несмотря на очевидную эффективность работы скважин, расположенных вкрест простирания пласта, данную схему можно применить не во всех горногеологических условиях. Для этого требуется либо наличие полевых выработок, пройденных параллельно дегазируемому пласту (крутое падение), либо сближенный пласт с пройденными выработками (пологое падение).

При этом значительная часть длины скважины в этих случаях будет буриться по породе, и лишь небольшая ее часть пересечет угольный пласт в пределах его мощности.

Рис. 2. Дебит газа в скважины по-разному ориентированные в пласте:

1 - скважины по восстанию пласта Горелого ш. «Коксовая», 2 - скважины по восстанию пласта 52 ш. «Котинская», 3 - скважины вкрест простирания пласта Горелого ш. Коксовая», 4 -скважины вкрест простирания пласта Мощного ш. «Коксовая»

'сут.

50 100 150 200 250

100

Рис. 3. Формирование зоны влияния скважины в угольном пласте: а) - для

скважин, пробуренных вкрест простирания пласта, б) - для скважин, расположенных в плоскости пласта.

Направление осей: X - по падению пласта, Y - по простиранию пласта, Z -перпендикулярно плоскости пласта

В Кузбассе подобная схема успешно применялась на шахтах Прокопьевско-Киселевского района, характеризующегося наличием мощных крутых пластов с большим количеством геологических нарушений и большой складчатостью, при этом скважины поддерживали высокие дебиты газа в течение длительного времени (до 2х-3х лет).

Г еометрически зона влияния скважины будет иметь форму цилиндра с основанием в виде окружности с радиусом, равным радиусу ее действия, являющимся функцией времени и высотой, равной мощности пласта.

Однако на практике более широкое применение находят скважины, расположенные в плоскости пласта с различными углами наклона к линии падения. Геометрическая форма объема угольного пласта, дегазируемого одной скважиной, будет представлять собой эллиптический цилиндр, высота которого равна длине скважины, а основание имеет форму эллипса, вытянутого в направлении трещин напластования, что объясняется фильтрационной анизотропией пласта (рис. 3).

Независимо от схемы расположения скважин в пласте их дебит всегда имеет убывающий характер во времени и может быть выражен функцией:

теризующий темп снижения дебита во времени, 1/сут.; t - время, сут.

При этом начальный дебит газа в скважину может быть определен сразу после окончания бурения, в то время как коэффициент в требует некоторого времени для его вычисления. С увеличением периода наблюдений за скважиной точность его расчета возрастает, но для практических целей достаточно 2-3 месяцев.

Преимущества экспериментального метода определения параметров работы дегазационных скважин заключается в том, что, определив их один раз для данного пласта, для последующих серий скважин на этом пласте можно использовать уже готовые газодинамические характеристики, которые, как правило, изменяются незначительно. Для продуктивной работы дегазационной скважины важно не только иметь высокий начальный дебит, но и как можно меньшее значение коэффициента Д что обеспечит более медленный темп снижения газовыделения в скважину, а, следовательно, ее высокую продуктивность на большом промежутке времени.

В основе проектирования глубокой дегазации угольных пластов лежит оценка возможности каждой скважины извлечь максимальный объем газа за предельно короткое время, что, в конечном счете, определит и эффективность всей системы дегазации шахты в целом.

Общий объем газа, выделившегося в отдельную скважину, получим, проинтегрировав выражение (1) по t в пределах от 0 до t

Как видно из выражения (2), объем газа, извлекаемый одной скважиной, зависит от времени ее функционирования. Следовательно, время работы скважин необходимо рассматривать как основной параметр, обеспечивающий конечные результаты дегазации.

Рассчитав ранее общий объем метана, подлежащий извлечению и объем газа, который может выдать одна скважина за отведенное время, можем определить необходимое количество скважин для дегазации данного участка пласта за время t

п _ Qдег Дт1ЬДх

Оскв qo 1 - еД ]

где Од)ег - общий объем газа, подлежащего извлечению из пласта,

м3;; ОСкв - объем газа, выделившийся в скважину за время t, м3;

т - мощность пласта, м; I - размер блока по падению, м; Ь -размер блока по простиранию, м; Дх - снижение газоносности пласта после дегазации, м3/т.

Отсюда определится и расстояние между скважинами

I _ Ь №

П

Не приводя результатов вычислений для конкретных пластов заметим, что для пластовых скважин при условии их работы под вакуумом в течение 180 суток расстояние между ними должно составлять от двух до пяти метров, а их общее количество в пределах блока может достигать нескольких сот.

Для повышения их эффективности, а, следовательно, и уменьшения их количества, необходимо проводить активную обработку угольного пласта, повышающую его газопроницаемость (гидрорасчленение, гидроимпульсные воздействия, разгрузка в виде под - или надработки и др.), а также бурение скважин с поверхности, имеющее два существенных преимущества: неограниченный срок службы и вскрытие наиболее проводящих систем трещин, поскольку эти скважины, как правило, располагаются вкрест простирания пластов и имеют больший радиус действия.

Все подобные подходы получили широкое распространение в передовых угледобывающих странах мира при разработке высокогазоносных пластов (Австралия, США), что позволило достичь суммарной эффективности дегазации до 75%. При этом большая часть метана извлекается до начала очистных работ. В результате принятых мер в этих странах полностью отсутствуют аварии, связанные с взрывами метановоздушной смеси и

несчастные случаи со смертельным исходом в угольных шахтах, несмотря на высокие нагрузки, на очистные забои.

Для реализации подобных технологий на шахтах Кузбасса, как, впрочем, и всей России, необходимо их оснащение соответствующим буровым оборудованием, способным осуществлять направленное бурение скважин в совокупности с системами утилизации метана, извлекаемого из угольных пластов в шахтных котельных. Думается, что в значительной мере ускорению этого процесса будет способствовать принятие Федерального Закона об обязательной предварительной дегазации угольных пластов, а также коренное изменение концепции построения системы управления безопасностью труда на шахтах России.

--------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лилин Г.Д., Айруни А.Т. Предварительная дегазация угольных пластов. -М.: ЦНИЭИ уголь, 1973. - 72 с.

2. Рубан А.Д., Забурдяев В. С., Забурдяев Г.С., Матвиенко Н.Г. Метан в шахтах и рудниках России. Прогноз, извлечение, использование. - М.: ИПКОН РАН, 2006. - 312 с.

3. Шевченко Л.А. Расчет производительности скважин по фильтрационным характеристикам угольного пласта / Л. А. Шевченко // Изв. вузов. Горный журнал - 2000. - № 5. - с. 15, 20. Ш

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ --------------------------------------------

Шевченко Леонид Андреевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой аэрологии, охраны труда и природы,

Кузбасский государственный технический университет.