Исследования газодинамики разрабатываемых угольных месторождений

© Г.Я. Полевшиков, 2013

УЛК 622.272.6

Г.Я. Полевшиков

ИССЛЕДОВАНИЯ ГАЗОДИНАМИКИ РАЗРАБАТЫВАЕМЫХ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Рассмотрены горнотехнологические предпосылки развития комплексного извлечения ресурсов при разработке углеметановых месторождений Кузбасса и основные результаты исследований ИУ СО РАН в этом направлении с акцентом на повышение газовой безопасности шахт. Ключевые слова: угольное месторождение, пласт, газовый потенциал, подготовительная выработка, выемочный участок, геомеханика, вол-нообразность, метанообильность, выбросоопасность, утилизация метана.

Геологические особенности Кузнецкого угольного бассейна [1] заставляют рассматривать его ресурсы как углеметановые. С одной стороны, метан осложняет технологии ведения подземных и открытых горных работ, а его выбросы в атмосферу приводят к ухудшению климата планеты. С другой стороны, метан является энергетическим ресурсом, и при его утилизации суммарная теплота сгорания топлива (уголь и метан) увеличивается на 10-15 % по сравнению с теплотой сгорания угля, что позволяет рассматривать горные отводы шахт как микроместорождения метана.

Реализацию газового потенциала горного отвода шахты можно [2] отобразить схемой, представленной на рисунке. Количественная оценка ресурсов и суммарного значения технологической эмиссии за период отработки пластов показала, что провоцируемые очистными работами геомеханические процессы нарушают метастабильное состояние углеметановой среды в значительно большем объеме, нежели это регистрируется шахтной системой мониторинга газовых потоков (техническая эмиссия).

Работа выполнена при финансовой поддержке междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН № 99 и партнерского интеграционного проекта СО РАН № 100.

геологические ресурсы метана в горном блоке

технологические остаточные ----XI

техническая эмиссия ---- разгруженной от горного давления части горного блока целиков, не разгруженнык от горного давления

физическая эмиссия фильтрационные

^ диффузионные в т.ч.

промышленная добына метана „ 1-Л.-Г*--сорбционные — неизвлекаемые

Структура газовых ресурсов в разрабатываемом горном блоке уг-леметанового месторождения

В горном блоке формируется, практически не зависящая от вентиляционной и дегазационной систем, картина движения газа к дневной поверхности за счет пластового давления (физическая эмиссия). Другая составляющая (техническая эмиссия) поступает в горные выработки и скважины и затем выносится на поверхность средствами вентиляции и дегазации.

Летальные расчеты этих особенностей на примере четырех горных отводов показали [3], что уже через 5 лет после отработки пластов остаточные ресурсы газа в горном блоке становятся столь малы, что их извлечение не оправдывает затрат даже на бурение скважин с поверхности. Но в период горных работ интенсификация способов извлечения этой части газового потенциала может обеспечивать использование попутного метана в промышленных объемах.

Актуальность задач повышения надежности управления технической эмиссией подтвердилась опытом Кузбасса в конце 90-х - начале 2000-х годов. Отметим, к концу этого периода в результате реструктуризации промышленности Кузбасс уже закрыл наиболее газовые шахты, а среднесуточная производительность очистных забоев возросла в 3 раза. Негативные следствия повышения производительности без соответствующей реконструкции систем вентиляции и дегазации видны [2] из статистики газовой аварийности 1990-2000 гг. - четкая прямая связь количества зарегистрированных случаев загазирований

выработок (400-2000 сл./год) с величиной технической эмиссии (700-1340 млн. м3/год).

Недостаточное внимание к соответствию инженерных решений по увеличению размеров выемочных столбов и скоростей подвигания забоев законам рудничной аэрогазодинамики стало основой негативных процессов. Ранее созданные методы и средства оценки ситуаций, уточнения особенностей нелинейных аэрогазодинамических процессов и анализа следствий технологических решений становятся недопустимо длительными, приводят к запаздыванию управляющих решений, к снижению их эффективности. Технолог шахты и проектировщик сталкиваются с типичной ситуацией «информационного барьера», характеризующийся тем, что сложность управляемой системы, количество причинно-следственных связей по объему информации намного превосходят возможности по ее переработке отдельным человеком или группой специалистов. Выход лежит на пути использования современных автоматизированных систем с компьютерным оснащением. Причем, систем не только контроля, как во всем мире, а и оперативного прогноза газо-геомеханических следствий технологических решений, как на стадии проектирования, так и ведения горных работ [4-6].

С целью создания соответствующего методического обеспечения ведутся (с 1990 г. и по настоящее время) горноэкспериментальные исследования. Их информационной базой стали: геологоразведочные данные о свойствах и условиях залегания угольных пластов Кузбасса (более 15000 пластопере-сечений геологоразведочными скважинами); горнотехнологические данные об отработке 20 выемочных участков и проведении 15 подготовительных выработок на различных месторождениях (длина очистного забоя до 300 м, длина выемочного столба до 2 км, скорость подвигания забоя до 12 м/сут, глубина отработки пластов до 650 м, газоносность до 30 м3/т).

Обобщение результатов исследований с привлечением научных открытий российских ученых о формировании нелинейных блочных структур при техногенной разгрузке углегазонос-ного массива и существования метана в угольных пластах по типу твердого раствора обеспечило углубление научных знаний физических процессов горного производства и развитие инновационной составляющей:

• доказана воднообразность геомеханических процессов во вмещающем массиве горных пород при отработке угодьных пдастов ддинными стодбами и периодичность этих процессов при проведении подготовитедьных выработок [5-9];

• установдена связь воднообразных изменений геомеханических процессов при движении очистных и подготовитедьных забоев с динамическими разрушениями приконтурной части отрабатываемого пдаста [10-12];

• опредедены зависимости ддя оперативной кодичествен-ной оценки, впдоть до значений реадьной выбросоопасности, уровня газодинамической устойчивости приконтурной части угдеметановых пдастов с раздичными физико-химическими свойствами угдя и усдовиями задегания [13-18];

• разработаны и апробированы инженерные методы ре-гионадьного и докадьного прогноза и автоматизированного текущего контродя динамики метанообидьности высокопроизво-дитедьных выемочных участков и подготовитедьных выработок [19-24];

• обоснованы технодогические схемы, способы и средства повышения эффективности управдения метанообидьностью подземных горных работ, в т.ч. в усдовиях компдексного ис-подьзования ресурсов угдеметановых месторождений [25-29];

• выподнена оценка цедесообразности утидизации метана на горных отводах закрываемых шахт и при ведении открытых горных работ [30-34].

Резудьтаты иссдедований подучиди признание научно-технической общественности, стади основой выподнения заказов управдений угодьной промышденности, угодьных компаний и шахт Кузбасса. Защищено 2 докторских и 7 кандидатских диссертаций.

Сотрудники даборатории награждены: Премией им. академика A.A. Скочинского (3); Почетной грамотой Министерства образования и науки РФ (1) и Бдагодарностью Президента РАН (1); Межотрасдевыми почетными знаками «Шахтерская сдава» (1) и «Горняцкая сдава» (4); Дипдомами грантообдадате-дей РАН (2); Дипдомами и Премиями конкурсов мододых ученых СО РАН (3); медадями (4), дипдомами (4) и премиями (3) Администрации Кемеровской обдасти и международной выставке-ярмарке «Экспо-угодь». Сотрудниками даборатории опубдиковано 6 монографий, бодее 230 научных трудов и 14 патентов РФ на изобретения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Разрабатываемые угольные месторождения Кузбасса (Обзорные схемы) / Под ред. А.И. Боева. Составители: Г.Я. Полевщиков, В.А. Рудаков, E.H. Козырева // Кемерово: Кузбассвузиздат, - 2001. - 88 с.

2. Природно-технологическая база комплексного извлечения ресурсов углеметановых месторождений Кузбасса. / Г.Я Полевщиков, E.H. Козырева, В.М. Рычковский, В.Г. Пестриков. - Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, - 2004. - 132 с.

3. Полевщиков Г.Я. Автоматизированные системы прогноза газопроявлений в угольных шахтах / Г.Я. Полевщиков, В.Т. Преслер, А.В. Гарнага. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1996.

- № 3 - С. 54-60.

4. Полевщиков Г.Я. Адаптивный автоматизированный прогноз газопроявлений на выемочном участке / Г.Я. Полевщиков, В.Т. Преслер, А.В. Гарнага // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири: Тезисы докладов международной научно-практической конференции. - Кемерово, -1997. - С. 112-116.

5. Полевщиков Г.Я. Влияние сдвижений прочных вмещающих пород на динамику метанообильности выемочного участка / Г.Я. Полевщиков, Н.Ю. Назаров // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2001. - № 5. - С. 121-127.

6. Полевщиков Г.Я. Газодинамические следствия зональной дезинтеграции массива при проведении подготовительной выработки / Г.Я. Полев-щиков, М.С. Плаксин // Вестн. КузГТУ. - 2011. -№ 5 - С. 3-7.

7. Полевщиков Г.Я. Газокинетический паттерн разрабатываемого массива горных пород / Г.Я. Полевщиков, E.H. Козырева // Горный информационно-аналитический бюллетень - № 11. - Москва, -2002. - С. 117-120.

8. Леонтьева Е.В. О возможности прогнозирования периодичности обрушения кровли при отработке пласта длинным очистным забоем // Молодежный региональный форум «Старт». Инновационный конвент: «Кузбасс: образование, наука, инновации». Сборник трудов. - Кемерово, -2012. - С. 26-30.

9. Полевщиков Г.Я. Волновые геомеханические процессы в динамике метанообильности выемочного участка / Г.Я. Полевщиков // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли: Труды научной конференции с участием иностранных ученых.- Новосибирск: Ин-т горного дела СО РАН. - 2010.

- С. 311-317.

10. Полевщиков Г.Я. Фрактальная особенность структуризации массива горных пород в изменениях давления на призабойную часть отрабатываемого длинным очистным забоем угольного пласта / Г.Я. Полевщиков, М.В. Шинкевич, А.В. Радченко, Е.В. Леонтьева, А.А. Черепов // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. Научно-технический журнал. - Кемерово, -2013. - № 1 - С. 16-23.

11. Полевщиков Г.Я. Оценка газодинамической активности пластов с учетом данных газового опробования / Г.Я. Полевщиков, Т.А. Киряева, А.А. Рябцев, М.С. Плаксин // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2008. - № 3 - С. 115-120.

12. Газодинамическая активность угольных пластов и зональная дезинтеграция массива горных пород при проведении подготовительных выработок / Г.Я. Полевшиков, М.С. Плаксин // Нелинейные геомеханико-геодинамические процессы при отработке месторождений полезных ископаемых на больших глубинах: Труды 2-ой Российско-Китайской научной конференции. - Новосибирск: ИГД СО РАН, -2012. - С. 83-89.

13. Полевшиков Г.Я. Динамические газопроявления при проведении подготовительных и вскрываюших выработок в угольных шахтах. / Г.Я. Полевшиков. - Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, -2003. - 317 с.

14. Полевшиков Г.Я. Физико-химическая основа внезапности динамических газопроявлений в угольных шахтах / Г.Я. Полевшиков, Е.Н. Козырева, Т.А. Киряева // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2004.

- № 2 - С. 201-203.

15. Полевшиков Г.Я. Оценка газодинамического потенциала углемета-нового пласта / Г.Я. Полевшиков, Т.А. Киряева // Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках. Материалы XV Международной научной школы им. Академика С.А. Христиановича. - Симферополь, -2005. - С. 209-213.

16. Киряева Т.А. Оценка природных рисков при проектировании систем разработки углеметановых месторождений / Киряева Т.А., Рябцев А.А, Плаксин М.С. // Материалы I Региональной научно-практической конференции - 2007. - С. 137-139.

17. Полевшиков Г.Я. Измерение сорбционных профилей при программировании температуры на пробах газоносных угольных пластов / Г.Я. По-левшиков, М.С. Мельгунов, Е.С. Непеина, Е.М. Цуран // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2013. - № 1.2.

18. Полевшиков Г.Я. Физико-химические особенности газоносных угольных пластов Кузбасса / Г.Я. Полевшиков, М.С. Мельгунов, Е.С. Непеи-на, Е.М. Цуран // Вестник КузГТУ. - 2013. - № 2. - С. 10-13.

19. Инструкция по применению ориентированного гидроразрыва пласта для предотврашения газодинамических явлений при проведении подготовительных выработок./ Г.Я. Полевшиков, С.П. Буланчиков - Кемерово: ИУ СО РАН, - 1994. - 9 с.

20. Разработка метода оценки газодинамической активности угольного пласта при проведении подготовительных выработок / Плаксин М.С.: Авто-реф. дис. канд. техн. наук. - Кемерово, - 2012. - 24 с.

21. Методика прогноза газодинамических явлений с использованием аппаратуры контроля метана при проведении подготовительных выработок / Г.Я. Полевшиков, Ё.В. Преслер - Кемерово: ИУ СО РАН, -1994. - 14 с.

22. Полевшиков Г.Я. Оперативный контроль газодинамической активности пласта по динамике метанообильности подготовительной выработки / Г.Я. Полевшиков, М.С. Плаксин // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2010. - № 3. - С. 351-355.

23. Козырева Е.Н. Комплексный прогноз динамики метанообильности высокопроизводительных выемочных участков // Вестник КузГТУ. - 2004. -№ 6.1. - С. 95-97.

24. Рябцев А.А. Региональный прогноз газодинамической активности плата // Сборник трудов научной сессии ИУУ СО РАН (молодёжная секция).

- Кемерово, - 2006. -С. 73-76.

25. Полевщиков Г.Я. Обоснование параметров горнотехнологических модулей угольных шахт Кузбасса / Г.Я. Полевщиков, М.В. Писаренко // Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, - 2004. - 148 с.

26. Полевщиков, Г.Я. Программа инноваций по управлению газодинамикой высокотехнологичных подземных горных работ / Г.Я. Полевщиков, Н.В. Рябков, Е.П. Ютяев // Горный Информационно-аналитический бюллетень. Кузбасс, Москва: Издательство «Мир горной книги». - 2008. - № 7 - С. 150157.

27. Козырева, Е.Н. Определение параметров комплексного управления газовыделением на выемочном участке // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2001. - № 5 - С. 130-134.

28. Полевщиков Г.Я. Основы эффективной разработки углеметановых месторождений Кузбасса / Г.Я. Полевщиков., Е.Н. Козырева, М.В. Шинкевич, О.В. Брюзгина // Вестник КузГТУ. - Кемерово, - 2011. - № 3 - С. 8-11.

29. Эффективность дегазации шахт Кузбасса / Родин Р.И. // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. Кемерово. -№ 2 -2011. - С. 116-119.

30. Козырева Е.Н. Оценка технологической необходимости добычи метана на горных отводах шахт Кузбасса / Е.Н. Козырева, В.Г. Пестриков // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2002. - № 9 - С. 99-101.

31. Полевщиков Г.Я. Оценка эмиссии метана при открытой разработке угольных месторождений / Г.Я. Полевщиков, Е.Н. Козырева, Т.А.Киряева // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2004. - № 2 - С.146-148.

32. Полевщиков Г.Я. Оценка эмиссии метана при ликвидации шахт / Г.Я. Полевщиков, Е.Н. Козырева // Труды международной научно-практической конференции «Экологические проблемы угледобывающей отрасли в регионе при переходе к устойчивому развитию» - Кемерово, - 1999. - Т 2. - С. 220-223.

33. Методика оценки ресурсов метана в отработанных горных отводах шахт и обоснования мест заложения метанодобывающих скважин / В.Б.попов, В.А. Скрицкий, Г.Я. Полевщиков, В.А Рудаков, Е.Н. Козырева, В.Г. Пестриков. - Кемерово: ВостНИИ, - 2002. - 16 с.

34. Плаксин М.С. Оценка газодинамической активности углеметановых пластов при ведении горных работ и планирование объемов извлечения попутного метана / М.С. Плаксин, А.А. Рябцев, В.А. Сухоруков // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - Кемерово, - 2010. - С. 43-50. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Полевщиков Геннадий Яковлевич - доктор технических наук, заведующий лабораторией газодинамики угольных месторождений, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт угля Сибирского отделения Российской академии наук, e-mail: gas coal@icc.kemsc.ru