Проектная и фактическая эффективность дегазации на высокогазоносных шахтах

УДК 622.411.33:62

В.Г. Криволапов, Ю.М. Говорухин

СибГИУ

Д.Ю. Палеев

ИУУ СО РАН

Проектная и фактическая эффективность дегазации на высокогазоносных шахтах

Рассмотрено текущее положение в горной промышленности Кузбасса по вопросам дегазации угольных пластов.

Приведено фактическое и проектное положение пластовых дегазационных скважин по одной из шахт. По проектным данным скважин выполнен расчет в программном комплексе «Вентиляция 1.0» с дополнением по расчету пластовой дегазации (Институт угля и углехимии СО РАН).

Приведено сравнение расчетных значений с фактическими замерами по дегазационным скважинам.

Ключевые слова: ВЫСОКОГАЗОНОСНЫЕ ШАХТЫ, ПРОЕКТНАЯ И ФАКТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДЕГАЗАЦИИ, КОНЦЕНТРАЦИЯ МЕТАНА, ВЫЕМОЧНЫЙ УЧАСТОК, СКВАЖИНА, ДЕГАЗАЦИОННЫЙ ТРУБОПРОВОД

V.G. Krivolapov, Yu.M. Govorukhin, D.Yu. Paleev. Project and actual efficiency of degassing at high gas-containing mines

Current state of coal seams degassing at Kuzbass mining industry is reviewed.

Actual and project condition of seam degassing boreholes for one of the mines is described. On the basis of project figures of the degassing boreholes calculation is made in the program complex "Ventilation 1.0" with addition from calculated seam degassing. (Institute of Coal and Coal Fuel Chemistry of Russian Academy of Sciences Siberian Branch).

Comparison of calculated figures with actual measurements for degassing boreholes is given.

Key words: HIGH GAS-CONTAINING MINES, DEGASSING PROJECT AND ACTUAL EFFICIENCY, METHANE CONCENTRATION, COAL EXTRACTION SECTION, BOREHOLE, DEGASSING PIPELINE

В настоящее время как за рубежом, так в России осваиваются технологические системы высокоинтенсивной подземной разработки угольных месторождений на основе применения новейшего оборудования. Все они предполагают высокую концентрацию горных работ и производительность от 10 до 20 тыс. т/сут на очистной забой. В Кузбассе действующие и вновь строящиеся шахты разрабатывают в основном высокогазоносные пласты с метаноносностью 10 м3/т и более. В

результате увеличение длины и скорости подвигания очистных забоев привело к значительному снижению эффективности дегазации, которое компенсируется в основном увеличением количества воздуха, подаваемого на выемочные участки [1].

Однако возможности вентиляции на большинстве действующих шахт ограничены. Причинами этого являются: высокое аэродинамическое сопротивление главных воздухоподающих и вентиляционных выработок, морально и физически устаревшие вентиляторные установки главного проветривания, наличие большого количества поддерживаемых выработок с расходом воздуха по ним, значительно превышающим нормативный.

Зачастую на основные объекты проветривания (выемочные участки, подготовительные забои) поступает не более 30 % от подаваемого в шахту воздуха.

Для увеличения количества воздуха, подаваемого в шахту, в последнее время широко применяются многоагрегатные вентиляторные установки главного проветривания. При высоких сопротивлениях шахтной вентиляционной сети, на которую работают такие установки, реальную прибавку в воздухе дает установка только второго агрегата. Дальнейшее наращивание агрегатов в одной установке повышает количество внешних утечек, снижает устойчивость работы вентиляторной установки в целом и усложняет реверсирование без существенного увеличения количества воздуха, подаваемого в шахту. Поэтому на многоагрегатных установках практически невозможно регулировать подачу воздуха в сторону увеличения. Можно лишь уменьшить подачу воздуха за счет остановки части агрегатов.

После аварии в Филиале «Шахта «Ульяновская» ОАО «Объединенная угольная компания «Южкузбассуголь» 19.03.2007 приказом Ростехнадзора запрещено проектирование строящихся и реконструируемых угольных шахт с поэтапным вводом многоагрегатных вентиляторных установок.

Очевидно, что с учетом возможностей вентиляции высокая производительность очистных забоев достижима только при газоносности угольных пластов не более 6-8 м3/т [2].

В настоящее время в Кузбассе широко применяются технологические схемы комбинированного проветривания выемочных участков и полей при разработке свит высокогазоносных угольных пластов пологого и наклонного падения с применением газоотсасывающих вентиляторов. Эти схемы позволяют эффективно управлять метановыделением в пределах выемочного участка. Но они являются высокоопасными, с точки зрения образования местных скоплений метана за пределами выемочного участка, а также в отношении эндогенной пожароопасности, особенно при отработке свит пластов, склонных к самовозгоранию [3].

Кроме этого, концентрация метана на газоотсасывающих вентиляторах должна быть не более 2 %, что поддерживается за счет подсвежения вентиляционной струи в районе вентиляторов, в это же время концентрация метана в выработанном пространстве в районе очистного забоя может достигать взрывоопасных концентраций. Большая протяженность газодренажных выработок (до 5 км) и количество перемычек до нескольких десятков снижают эффективность работы га-зоотсасывающих вентиляторов из-за большого количества подсосов и высокого аэродинамического сопротивления газодренажной сети.

В соответствии с «Методическими рекомендациями о порядке дегазации угольных шахт» [4] дегазация должна осуществляться на газовых угольных шахтах, где средствами вентиляции невозможно обеспечить содержание метана в воздухе в пределах норм безопасности.

Дегазация разрабатываемых пластов должна применяться во всех случаях, когда на участках ведения очистных и подготовительных работ метаноносность пласта составляет 10 м3/т и более.

В настоящее время разработаны и используются более 30 способов и технологических схем дегазации. Среди них наиболее распространены [2]:

- предварительная пластовая дегазация;

- дегазация выработанного пространства скважинами, пробуренными с поверхности;

- дегазация выработанного пространства и спутников скважинами, пробуренными из подготовительных выработок;

- барьерная дегазация.

В ряде зарубежных стран - США, Австралии, Казахстане применяется заблаговременная дегазация угольных пластов до начала строительства шахт.

В Кузбассе такой способ находится в стадии начала эксперимента. Применяемое для бурения скважин дорогостоящее буровое оборудование, сложность конструкции скважин не позволяют надеяться, что заблаговременная дегазация осуществима в ближайшем будущем.

В настоящее время для каждой шахты, разрабатывающей газоносные пласты, выполняется отдельный проект по дегазации. С учетом того, что проекты проходят экспертизу промышленной безопасности, качество их довольно высокое.

Ниже рассмотрен пример такого проекта для следующих условий: длина выемочного столба составляет 1450 м; длина очистного забоя 267 м; глубина участка от поверхности 430 - 660 м; общая мощность пласта 1,36-1,73 м; вынимаемая мощность пласта 1,77 м; природная газоносность пласта 20,6 - 30,0 м3/т.

Согласно «Методическим рекомендациям о порядке дегазации угольных шахт» [4], на оконтуренных выработками выемочных участках скважины не добуриваются до противоположной выработки на 10-15 м. Поэтому при длине лавы, равной 267 м, длина скважин для дегазации лавы составляет 252 м.

Дегазация разрабатываемого пласта осуществляется одиночными скважинами, параллельными очистному забою, пробуренными из ниш конвейерного штрека. Расстояние между скважинами 10 м. Бурение дегазационных скважин производится станками СБГ-1М. Диаметр скважин составляет 100 мм.

Дегазационная станция запроектирована на три установки (1+1 рабочие, 1 резервная).

Дегазационная установка состоит из:

- водокольцевого вакуумного насоса ВВН2-150 двойного действия с частотой вращения вакуум-насоса 300 об/мин, напряжением 6000 В;

- редуктора Ц-300Н;

- электродвигателя БА02-45016 мощностью 250 кВт с частотой вращения 1000 об/мин.

Для обеспечения плановой нагрузки на очистной забой, согласно проекту выемочного участка, планируется каптировать из угольного массива лавы 5,73 м /мин.

Исходя из этого, должно постоянно функционировать 39 скважин.

Согласно проекту, дебит метановоздушной смеси на конвейерном штреке с учетом нормативных подсосов составит 7,67 м /мин.

Концентрация метана в метановоздушной смеси в скважинах и в дегазационном трубопроводе составит 74,7%.

При расчете в программном комплексе «Вентиляция 1,0» с дополнительным модулем для расчета пластовой дегазации по данным проекта были получены результаты, приведенные в таблице 1. Данные приведены для одной скважины, т.к. по другим скважинам результаты идентичны.

Таблица 1 - Результаты расчета

Начальный Конечный Длина, О смеси, с, О метана,

номер номер м м3/мин % м3/мин

Забой 39 252,0 0,19 74,70 0,14

скважины

Фактическое положение скважин показано на рисунке 1, из которого видно, что практически все скважины меньше проектной длины.

Рисунок 1 - Фактическое положение 39 скважин на выемочном участке

Фактические данные по ряду скважин приведены в таблице 2. По результатам замеров видно, что концентрация метана по всем скважинам значительно ниже проектной, следовательно, и дебит метана незначителен.

При проектной суточной нагрузке на очистной забой 6500 т фактически нагрузка составляла около 4000 т/сут.

Несмотря на грамотно выполненный проект, фактически эффективность дегазации очень низкая. Такое же положение наблюдается и на большинстве других высокогазоносных шахт Кузбасса.

Таблица 2 - Результаты замеров по дегазационным скважинам

Номер скважины Разрежение или давление в газопроводе у скважины, мм вод. ст. Концентрация метана, % Дебит метановоз-душной смеси, м3/мин Дебит метана, м3/мин

22 948 - 905 11 - 4 0,09 - 0,025 0,009 - 0,001

24 958 - 933 15 - 9 0,13 - 0,07 0,019 - 0,0063

35 877 - 473 63 - 18 0,42 - 0,16 0,264 - 0,028

36 880 - 475 61 - 23 0,41 - 0,21 0,26 - 0,048

37 882 - 478 62 - 17 0,42 - 0,15 0,26 - 0,025

38 885 - 480 52 - 15 0,35 - 0,14 0,182 - 0,019

39 889 - 483 60 - 17 0,4 - 0,15 0,24 - 0,025

По данным, приведенным в работе [2], «нагрузка в размере 1500-2000 т/сут обеспечивается при коэффициенте дегазации не менее 35-40 %, а при нагрузках, предусматриваемых на перспективных шахтах, эффективность дегазации на добычных участках должна составлять не менее 50-60 %. В то же время на шахтах Кузнецкого бассейна извлекается немногим более 15-20 % от общего количества метана, выделяющегося в выработки выемочного участка в процессе ведения горных работ».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Каледина, Н.О. Совершенствование проветривания высокогазообильных выемочных участков (опыт шахты «Распадская») / Н.О. Каледина, А.В. Рыжов, В.А. Вальц // Горный информационно-аналитический бюллетень / МГГУ. - М., 2007. - № ОВ13. - С. 436 - 445.

2 Пучков, Л.А. Извлечение метана из угольных пластов / Л.А. Пучков, С.В. Сластунов, К.С. Коликов. - М.: МГГУ, 2002. - 384 с.

3 Каледина, Н.О. Требования к проектированию систем вентиляции высокопроизводительных угольных шахт / Н.О. Каледина // Горный информационно-аналитический бюллетень / МГГУ. -М., 2005. - С. 44 - 56.

4 РД-15-09-2006. Методические рекомендации о порядке дегазации угольных шахт // Документы по безопасности надзорной и разрешительной деятельности в угольной промышленности. - Серия 05. - Вып. 14. -М.: ОАО «НТЦ Промышленная безопасность», 2007. - 195 с.