Метанобезопасность и комплексное освоение георесурсов при подземной добыче угля

К 70-летию КАФЕДРЫ «АЭРОЛОГИЯ И ОХРАНА ТРУДА»

В числе сопутствующих углю георесурсов особое место занимает метан угольных пластов как фактор повышенной опасности при подземной добыче угля и как экологически более чистое и эффективное топливо. В силу этих свойств метан угольных пластов должен быть извлечен из недр заблаговременно, т.е. до начала горных работ в шахтном поле или в его части, или же попутно с добычей угля средствами дегазации.

В противном случае нельзя достичь безопасной и высокопроизводительной добычи угля на газообильных шахтах.

Техническая производительность современных зарубежных очистных комбайнов в зависимости от энерговооруженности достигает 10-25 т/мин. При использовании таких машин становятся реальными сменные нагрузки на лаву порядка 5-10 тыс. т., а в рекордных случаях до 15-25 тыс. т.

Перспективные отечественные комбайны имеют техническую производительность 5-8 т/мин. Что также позволяет рассчитывать на достижение высоких в наших условиях нагрузок на очистные забои.

Однако реализация технических возможностей очистных комбайнов в полной мере возможна только при отсутствии ограничений по газовому фактору.

Известно, что допустимая по газовому фактору производительность выемочной машины линейно зависит от площади поперечного сечения призабойного пространства, т.е. от мощности пласта и конструктивных особенностей механизированной крепи, и обратно пропорциональна относительной метанообильности лавы. Так,

на пластах мощностью 2-2,5 м и ме-танообильности очистного забоя до 5 м3/т при применении комплексов типа КМ-138 допустима максимальная производительность комбайна порядка 2,5-4 т/мин. Такая производительность комбайна обеспечивает нагрузку на лаву до 2-3 тыс. т в сутки. С увеличением метанообильности допустимая производительность комбайна резко снижается до уровня, исключающего возможность достижения рентабельности добычи угля.

На мощных пластах, разрабатываемых без разделения на слои с применением комплексов нового технического уровня и с большей величиной проходного сечения (КМ-142, КМ-144 и др.), допустимая максимальная производительность комбайна при метанообильности лавы 5 м3/т составит 6,5-8 т/мин, что может обеспечить суточную нагрузку на забой 56 тыс. т. Такой объем добычи из одного забоя уже позволяет рассчитывать на существенное повышение эффективности работы шахты.

Но и при значительной мощности пласта допустимая по газовому фактору производительность комбайна с увеличением метанообильности лавы резко снижается (до 1-2 т/мин при дебите метана 15-20 м3/т).

Следовательно, достижение рентабельности и безопасности подземной добычи угля в развитых районах основных бассейнов России напрямую связано с дегазацией угольных шахт.

Однако объемы дегазационных работ на действующих шахтах России и эффективность дегазации остаются на низком уровне [1, 2]. Из общего выделения метана из шахт РФ около 4 тыс. м3/мин средствами дегазации

каптируется порядка 700-850 м3/мин. Коэффициент извлечения метана путем искусственной дегазации составляет в Кузбассе в среднем 17-20 %, в Воркуте - около 39 %. Сокращается число шахт, работающих с дегазацией. Так, в Кузбассе в 1990 г. дегазацию проводили на 48 шахтах, а к 1996 г. число таких шахт уменьшилось до 18.

На газообильных шахтах применяются комплексные схемы дегазации, т.е. сочетание пластовой дегазации с каптажом метана через фланговые скважины из горных выработок и наземные [3]. Эффективность пластовой дегазации невысока: 15-20 % при параллельных забою скважинах и до 30-35 % при перекрещивающихся. Фланговая дегазация через веер скважин, пробуренных над монтажной камерой, позволяет извлечь до 50 % от дебита метана на выемочном участке. Эффективность дегазации наземными скважинами с отбором метана из выработанного пространства выше и достигает в ряде случаев 60-80 %. Вследствие этого в последние годы в объеме каптированного метана возрастает удельное значение газа, отбираемого через скважины, пробуренные с поверхности (табл. 1).

На ряде газообильных шахт бассейна наиболее высокая эффективность дегазации достигается при комбинированных схемах каптажа метана через скважины с поверхности и из горных выработок, а также с

Таблица 1

КОЛИЧЕСТВО КАПТИРУЕМОГО МЕТАНА НА УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ КУЗБАССА

Годы Подземная добыча Выделено метана в шахтах Объем каптированного метана, млн. м3 Каптаж от общего выделения метана, %

угля, млн. т всего, 3 млн. м на 1 т добытого угля, м3 всего в т.ч. через скважины с поверхности всего из них через скважины с поверхности

1990 90,0 1471 16,3 216 56 14,7 25,9

1993 62,2 952 15,3 199 139 20,9 69,8

1995 64,6 888 13,7 164 107 18,5 65,2

Таблица 2

КАПТАЖ МЕТАНА НА ГАЗООБИЛЬНЫХ ШАХТАХ КУЗБАССА [1]

Объединение, шахта Средняя относительная метанообиль-ность, м3/т Средний объем каптированного метана, м3/т Эффективность дегазации, %

АООТ «Ленинскуголь» «Комсомолец» 35,4 23,9 67,6

«Полысаевская» 17,5 7,9 45,0

«Октябрьская» 34,9 20,2 57,9

АООТ «Беловоуголь» «Чертинская» 68,1 37,5 55,1

«Западная» 50,4 24,0 47,6

«Пионерка» 11,6 6,4 55,2

Таблица 3

КАПТАЖ МЕТАНА НА ГАЗООБИЛЬНЫХ ШАХТАХ ПЕЧОРСКОГО БАССЕЙНА [2]

Шахта Метанообильность Дебит каптированного метана, м3/мин Эффективность дегазации, %

абсолютная, м3/мин относительная, м3/т

«Северная» 183 51 88 48

«Комсомольская» 139 62 53 38

«Заполярная» 131 61 38 29

«Воркутинская» 141 99 55 39

помощью газоотводящих труб на вентиляционных горизонтах (табл.

2 и 3).

Следствием недостаточных объемов и эффективности дегазации на большинстве шахт являются низкие темпы ведения очистных и подготовительных работ, не удовлетворяющие современным требованиям реформирования угольной промышленности.

Как показывает опыт подземной разработки угольных пластов, производительная и безопасное проведение подготовительных выработок без дегазации возможно при газообильности забоя до 3 м3/мин. Фактически на газовых шахтах абсолютная метано-обильность подготовительных выработок достигает 5-14 м3/мин. Эффективность применяемых способов и схем дегазации при проведении выработок (ограждаю-щей, опережающей) не превышает 15-20 %, что явно

недостаточно для достижения требуемых высоких темпов подготовки очистного фронта.

Из анализа газового баланса выемочных участков [3] следует, что дебит метана из различных источников существенно зависит от развития горных работ. Так, в начальный период, т.е. при подготовке очистных забоев и развитии добычных работ до первого обрушения основной кровли, до 85-90 % дебита метана приходится на разрабатываемый пласт. По мере развития очистных работ общий объем ме-тановыделения на выемочном участке увеличивается. При этом доля дебита метана из выработанного пространства возрастает за счет поступления газа из спутников и смежных пластов. При площади выработанного пространства, существенно превышающей неотработанный угольный массив, дебит газа из выработанного простран-

ства достигает 50-80 % от общего метановыделения на участке.

В этот период решающее значение в снижении газообильности участка приобретает дегазация выработанного пространства через скважины с поверхности и фланговые скважины из горных выработок.

Таким образом, стратегия дегазации в шахтном поле должна быть связана с динамикой развития горных работ, т.е. с объективно существующими этапами в деятельности шахты и с развитием горных работ в отдельных выемочных полях и участках.

1 этап - подготовка шахтного поля к эксплуатации и проведении выработок по календарному плану строительства шахты. На этом этапе снижение газоносности пластов и, следовательно, газообильности подготовительных выработок возможно путем заблаговременной дегазации и каптажа метана через скважины с поверхности. Эффективная дегазация по такой схеме требует некоторых физических или физико-химических воздействий на пласт, так как природная газопроницаемость пластов, не разгруженных от горного давления, весьма низкая (для многих пластов Кузбасса 0,035-0,045 мД).

Наиболее распространенными способами воздействия на пласт с целью повышения его газопроницаемости являются гидроразрыв и гидрорасчленение с последующей откачкой воды.

Этот способ достаточно капиталоемкий, но, как показывает опыт (в частности, Карагандинского бассейна), дает существенный эффект как в пла-

З

не снижения газоносности и выбросо-опасности пласта, так и в результате получения высококонцентрированной (до 90-95 %) метановоздушной смеси (МВС).

Заблаговременную дегазацию пластов следует проводить не одновременно по всему шахтному полю, а последовательно в соответствии с календарным планом развития горных работ и сроками освоения отдельных пластов и выемочных полей, исходя из того, что длительность интенсивного каптажа метана через вертикальные скважины с гидроразрывом оценивается месяцами.

При недостаточной эффективности заблаговременной дегазации и особенно при освоении выбросоопасных пластов подготовительные выработки следует проводить с опережающей дегазацией пласта через скважины из забоя выработки.

II этап - эксплуатация шахты при последовательной разработке отдельных пластов, выемочных полей, и участков.

В этот период наибольший эффект достигается при комплексной дегазации, сочетающий пластовую схему дегазации разрабатываемого пласта и каптаж метана из выработанного пространства фланговыми скважинами и наземными. Фланговые и наземные скважины служат для каптажа метана из выработанного пространства действующих лав, дебит которого при полном развитии очистных работ в выемочном участке превалирует над другими источниками поступления газа. Бурение наземных скважин и ввод их в эксплуатацию должны быть увязаны с развитием деформационных процессов в подрабатываемом массиве пород.

III этап - завершение отработки промышленных запасов и закрытие

шахты. В этот период из оставленных целиков угля и, главным образом, из выработанного пространства в атмосферу непогашенных горных выработок все еще могут поступать значительные количества метана. При большой глубине залегания отработанных пластов, исключающей аэродинамическую связь выработанного пространства с земной поверхностью, непогашенные горные выработки становятся аккумуляторами метана. Этот метан при герметизации (установка перемычек и заполнение закладкой) стволов и других выработок, имеющих выход на поверхность, и систематической откачке шахтных вод может быть извлечен из недр через трубопроводы, заранее заложенные в стволах, т.е. стать объектом добычи.

Опыт такого каптажа высококонцентрированной метано-воздушной смеси известен из практики Г ермании

[4]. А выработанное пространство закрытых газообильных шахт при небольших затратах на герметизацию стволов и эксплуатационных расходов на каптажу метана и водоотлив становится долговременным источником получения эффективного и экологически чистого топлива.

Технологии наземной заблаговременной и текущей дегазации, каптажа метана фланговыми и наземными скважинами и из атмосферы закрытых шахт позволяют получать МВС с концентрацией метана от 30-35 до 9095 %, т.е. кондиционное топливное сырье. Это сырье для своего эффективного использования требует снижения влажности газа, усреднения его качества и стабилизации объемов поступления по сети скважин и трубопроводов одной шахты или группы соседних предприятий. Самый про-

стой и распространенный способ утилизации шахтного метана - сжигание в местных котельных. Но более прогрессивным и перспективным считается использование каптируемого метана для выработки электроэнергии небольшими шахтными газотурбинными установками, так называемыми миниэлектростанциями (МЭС). Опыт эксплуатации МЭС на шахтном метане известен из практики европейских стран, Японии, США, Австралии.

В России разработаны силовые установки для производства электроэнергии на шахтном метане, обеспечивающие использование МВС при колебании концентраций метана от 25 до 100 % и давления от 1 до 50 кПа

[5]. Эти установки оборудуются автоматическими питающими устройствами, управляющими процессом подготовки смеси и компенсирующими колебания качества и давления поступающей из скважины МВС, а также утилизаторами отходящей теплоты. Общий КПД установки близок к 85 %.

Утилизация на МЭС только той части каптируемого метана, которая выбрасывается в атмосферу и оцениваемая по российским шахтам в 700 м3/мин, позволит генерировать до 145 МВт электрической и около 600 ГДж/ч тепловой энергии. Срок окупаемости таких установок оценивается в 3-3,5 года.

Расширение объемов дегазационных работ и повышение их эффективности в результате комплексной дегазации угольных пластов и каптажа метана из недр на всех этапах создания и эксплуатации шахты даст не только прямой экономический эффект от утилизации метана, но и обеспечит безопасность и высокую производительность горных работ на газообильных шахтах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лебедев А.В. О добыче и утилизации метана из угольных пластов // Уголь, 1998, №7. - с. 56-58.

2. Сергеев И.В., Забурдяев В.С. Нужны средства контроля. О метановой опасности на шахтах России и перспективах ее снижения // Охрана труда и социальное страхование, 1998, №10. - с. 38-44.

3. Проблемы разработки метаноопасных пластов в Кузнецком угольном бассейне / Ю.Н. Малышев, Ю.Л. Худин, М.П. Васильчук и др. - М.: Издательство Академии горных наук, 1997. - 463 с.

4. Тресков А., Фицнер Г. Результаты дегазации каменноугольных шахт ФРГ в 1984-1985 гг. // Глюкауф, 1986, №19. - с. 24-27.

5. Малышев Ю.Н., Серов В.И. Экономические аспекты добычи и утилизации шахтного метана в странах СНГ // Горный вестник, 1995, №3. - с. 7-10.

Стариков А.В. —профессор, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, Институт проблем комплексного освоения недр РАН.

.......................................................................

ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИВАТАНОВА Наталья Петровна Эколого-экономическая оценка минеральносырьевого потенциала регионов 11.00.11 д.э.н.

ВИШНЯКОВ Иван Алексеевич Экологическое обоснование рационального развития горнодобывающих предприятий Мурманской области (на примере Кольской горно-металлургической компании) 11.00.11 к.т.н.

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ УПРАВЛЕНИЯ им. В.А. ТРАПЕЗНИКОВА РАН

ГРИЩЕНКО Алексей Федорович Механизмы минимизации затрат на развитие систем управления промышленной безопасностью 05.13.10 к.т.н.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

САДКОВСКИЙ Борис Петрович Теоретическое и экспериментальное обоснование, разработка и внедрение новых аппаратов на основе гидравлическо-сегрегационного разделения для повышения эффективности гравитационного обогащения золотосодержащих песков 05.15.08 д.т.н.