Особенности извлечения метана из надрабатываемых угольных пластов

© В.С. Забурдяев, А.С. Пантелеев, 2002

УДК 622.411.33

В.С. Забурдяев, А.С. Пантелеев

ОСОБЕННОСТИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАНА ИЗ НАДРАБАТЫВАЕМЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Пропускная способность вентиляционных сетей на шахтах Воркуты такова, что подать на выемочный участок более 3000 м3/мин воздуха становится весьма сложно. Поэтому снижение газовыделения из угольных пластов является актуальнейшей задачей, которая без дегазации не решается. С помощью дегазации должны решаться не только вопросы снижения метанообильности добычных участков, но и вопросы извлечения кондиционного метана, пригодного для утилизации.

Из надрабатываемых угольных пластов и пропластков выделяется до 20-30 % метана, поступающего в выработки участков при отработке пластов «Четвертого» и «Мощного». При этом до 80 % воздуха, подаваемого на выемочные участки, расходуется на разбавление газа, выделяющегося из выработанного пространства.

Результаты исследования дегазации надрабатываемых пластов в условиях шахт Донбасса и Воркуты, выполненные ранее [1, 2], привели к выводу о возможности извлечения метана из этого источника газовыделения через подземные нисходящие скважины. Без оценки эффективности этой технологии в условиях различных шахт и при отсутствии методики определения параметров дегазации область ее применения для борьбы с газом будет весьма ограничена.

Исходя из этого, целью исследований явилась разработка технологической схемы дегазации надрабатываемых угольных пластов для эффективного извлечения из них метана. При этом были поставлены вопросы: изучить закономерности истечения метана из скважин и эффективность схем дегазации; определить протяженность зон повышенной газоотдачи надрабатываемой угленосной толщи; обосновать параметры дегазации пластов и разработать технологическую схему дегазации надрабатываемых пластов скважинами.

Методика выполнения работы включала проведение экспериментальных исследований по изучению динамики газовыделения из скважин, пробуренных из поддерживаемых за лавой выработок на надрабатываемые пласты пю, п9, п8, п7 и п6, удаленные от разрабатываемого на расстоянии 858 м, анализ экспериментальных данных и определение зависимости дебита метана в скважины от расстояния до очистного забоя, а также определение на их основе влияния междупластья на местоположение зоны максимума газовыделения в скважины.

Экспериментальные исследования проводились на шахтах «Воркутинская» и «Северная» при отработке пласта «Четвертого», на выемочных участках протяженностью 1350-1750 м. Каждая из пробуренных и подключенных к дегазационной сети скважин оборудовалась замерным устройством для измерения разрежения на устье скважины, перепада давления на диафрагме и концентрации метана в

каптируемой смеси. Замеры на скважинах выполнялись еженедельно или ежедекадно в течение всего периода их функционирования, причем в один день на всех работающих скважинах.

Результаты измерений обрабатывались по известной методике: определялось ожидаемое на участке суммарное метановыделение из надраба-тываемых угольных пластов и его долевое участие в газовом балансе участка, затем устанавливались требуемый коэффициент дегазации и необходимый расход каптируемого метана, который сопоставлялся с фактически измеренным его значением в различные периоды функционирования скважин.

Анализ экспериментальных данных показал следующее.

1. Необходимый для обеспечения безопасных условий труда суммарный дебит каптируемого метана обеспечивался за счет определенного числа одновременно функционировавших скважин, пробуренных на подрабатываемые и надрабаты-ваемые пласты.

Максимальное число одновременно работавших в лаве нисходящих скважин, достигавшее 4-6, было приурочено к периоду работы забоя в интервале 450-800 м от монтажной камеры, в пределах которого нормальный газовый режим и высокопроизводительная работа очистного забоя поддерживались при дебите каптируемого метана нисходящими скважинами 4,9-5,3 м3/мин (в отдельные периоды до 7,712,4 м3/мин). На каждые 100 м длины выработанного пространства приходились две нисходящие скважины.

2. Следующими по насыщенности одновременно работавшими нисходящими скважинами были участки выемочного поля, с двух сторон примыкавшие к среднему участку и располагавшиеся в интервалах 200-450 м от монтажной и демонтажной камер. Нормальная по газовому фактору работа очистного забоя обеспечивалась дополнительной работой 2-3 нисходящих скважин. Их суммарный дебит метана составлял 2,0-6,4, достигая в отдельных случаях 12,4 м3/мин. Плотность скважин на этих участках составляла три скважины на 200 м длины выработанного пространства.

3. В период развития очистных работ на участке до 200 м от монтажной камеры и на заключительном этапе работы лавы в работе находилось по 1-2 скважины. Суммарный дебит 2-х нисходящих скважин изменялся от 1,0 до 6,4 м3/мин. В работе находилась одна скважина на 100 м длины выработанного пространства.

4. Данные о распределении количества одновременно функционировавших на участке нисходящих скважин по длине выемочного поля и их дебите хорошо согласуются с результатами ранее выполненных исследований, согласно которым по мере подвигания лавы газообильность очистных выработок (преимущественно за счет все возрастающей роли газовыделения из выработанного пространства) постепенно увеличивалась и, достигнув уровня, соответствующего периоду наибольшего развития процессов разгрузки поди надрабатываемой угленосных толщ, становилась относительно стабильной.

5. Дебит каптированного из надрабатываемых угольных пластов метана в пределах выделенных зон соответствовал разработанной ранее модели газовыделения [3, 4]. При достаточно стабильной скорости подвигания лавы процесс ме-

ду очистным забоем и скважиной показан на рис. 1.

Анализ фактических данных показал, что зависимость дебита метана из нисходящей скважины (1м) от расстояния (Ц) между устьем скважины и линией очистного забоя (см. рис. 1) может быть описана уравнением прямой на участке роста газовыделения и дробно-линейной зависимостью - на участке его снижения от достигнутого максимума.

Результаты обработки экспериментальных данных по изменениям дебита метана и уровня воды в нисходящих

Рис. 1. Модель истечения метана из надрабатываемого пласта

в скважину

скважинах, измеренного от их устья, на примере отдельных скважин приведены на рис. 2. При этом кривые на рисунке расположены в соответствии с их очередностью расположения от монтажной камеры.

Истечение метана в пробуренные до пластов n7 и n6 нисходящие скважины, обусловленное разгрузкой надрабаты-ваемой угленосной толщи от горного давления, происходило по зависимости, в которой интенсивный рост и последующее снижение газовыделения в отдельной скважине периодически повторялись по мере развития горных работ по простиранию пласта и происходящих при этом в надраба-тываемой угленосной толще разгрузочных циклов. Количественные показатели этой весьма непростой зависимости в пределах выемочного участка определяются конкретными горно-геологическими условиями залегания надрабатывае-мых пластов, параметрами заложения и числом функционирующих скважин.

Максимальное газовыделение из надрабатываемых угольных пластов в скважины и место его нахождения от забоя лавы определялись на основе экспериментальных замеров. В скважинах с выраженными максимумами каптируемого метана находилась точка пересечения двух зависимостей (см. рис. 1,б) и устанавливались ее координаты, которые характеризовали абсолютную величину максимума газовыделения в скважины (I'max) и расстояние от лавы ( £ 'max ) до устьев скважин. Величина максимума газовыде-ления в отдельно взятые скважины в зависимости от мощности междупластья и степени его разгрузки колебались от 0,3 до 5,6 м3/мин, но при этом наблюдалась отчетливо выраженная тенденция: абсолютные значения I'max тем выше, чем ближе скважина расположена к очистному забою. Наличие нескольких пиковых его значений в процессе истечения метана в скважины являлось следствием периодичности разгрузочных процессов, происходящих в надрабатываемых пластах по мере развития очистных работ.

Основным фактором, определяющим местоположение максимума газовыделения в скважины, является мощность междупластья

где k и N - эмпирические коэффициенты.

Численные значения коэффициентов «к» и «N» определялись по скважинам, у которых были разные параметры заложения и дегазируемые ими источники газовыделения, расстояние от забоя скважины до очистного забоя не превышало шага посадки основной кровли, в радиусе 60-70 м не было действующих скважин, которые могли бы исказить показатели работы выбранной скважины.

Полученная в результате статистической обработки исходных данных зависимость (1) приведена на рис. 3 (коэффициенты k = 2,13 и N = 1,1).

Изменение темпа (скорости) газовыделения в нисходящие скважины с увеличением длины выработанного пространства характерно тем, что на первых 300м работы лавы каждый последующий период истечения газа в очередную

Рис. 2. Метаноотделение из надрабатываемых пластов в скважины: 1

- метановыделение; 2 - уровень воды в скважине

скважину начинался с более высокого дебита метана. Так, на скважинах, функционировавших на длине отработанного участка 75-150 м, темп роста дебита метана составлял 0,0014, а в интервале 150-300 м - 0,103-0,108. При этом темп снижения газовыделения на этих скважинах был более высоким. Сравнительно невысокий темп роста газовыделе-ния в скважины в интервале 75-150 м от монтажной камеры объясняется тем, что к этому времени в зону разгрузки попадали преимущественно ближайшие к разрабатываемому пласту пропластки пю и п9, удаленные от разрабатываемого пласта пц на расстояниях соответственно 8-10 и 13-15 м.

Когда длина выработанного пространства превысила 360-380 м, характер истечения метана в скважины стал менее выраженным, а темп роста газовыделения стал постепенно снижаться. В период работы очистного забоя в средней части выемочного поля, когда число одновременно функционировавших скважин на участке достигало 4-6, темп роста метановыделения в скважины по сравнению с предыдущим интервалом отработанного поля снизился в 2-3 раза. На участке выемочного поля, расположенном за средней его частью, скорость нарастания газовыделения в скважины снизилась еще в 2-4 раза по сравнению со скважинами, функционировавшими в средней части выемочного поля.

Зависимость расхода метана (1м, м3/мин) в нисходящую скважину по мере удаления от нее забоя лавы (Ц, м) описана формулой

I = 1тах

1м к!ь + Г

где к'н - эмпирический коэффициент.

Влияние мощности междупластья на скорость снижения газовыделения из скважин оценено зависимостью k'н = ^(мн) . При этом в качестве базы для построения линейной зависимости -1 = ц/(М н) были использованы

1Сн

фактические данные, а также точка на оси абсцисс с координатами -1 = 0 и Мн = 7,2 м, т.е. на оси абсцисс выделен

1Сн

отрезок, равный глубине герметизации устьев скважин по вертикали (рис. 4).

Для анализируемых скважин, функционировавших в надрабатываемой толще при Мн > 7,2 м, получена линейная зависимость:

где и с - эмпирические коэффициенты, которые определялись по экспериментальным данным.

На всех скважинах (за исключением малопроизводительных скважин) вследствие инерционности в развитии процессов разгрузки вглубь надрабатываемого массива, наблюдалась отчетливо выраженная тенденция к снижению темпов газовыделения в скважины по мере увеличения мощности междупластья (см. рис. 4).

На основе выполненных исследований по изучению динамики процесса истечения метана в скважины, темпов его нарастания и снижения в зависимости от расстояния до очистного забоя и мощности междупластья, данных по количеству одновременно работавших скважин и суммарному дебиту извлекаемого ими метана установлено, что по газовы-делению и степени газоотдачи надрабатываемой угленосной толщи в пределах выемочного участка можно выделить 5 условных зон: средняя часть, примыкающие к ней зоны и краевые зоны.

Опыт дегазации надрабатываемых пластов скважинами, пробуренными из выработок отрабатываемого пласта, свидетельствует о том, что, во-первых, в процессе активной разгрузки надрабатываемой угленосной толщи дегазационные скважины залиты водой, в результате чего 75-90 % метана, выделяющегося из надрабатываемых пластов, поступает в выработки выемочного участка; во-вторых, обильное выделение метана в вентиляционную выработку при ее пе-рекреплении за лавой с использованием взрывчатых материалов нередко приводило к вспышкам и взрывам метановоздушных смесей с человеческими жертвами; в-третьих, обводненность скважин наблюдалась в интервале до 600 м, отсчитываемом от забоя лавы до устья скважины; в-четвертых, к моменту естественного осушения скважин надрабатываемые пласты теряли почти весь десорбируемый газ, который выделялся преимущественно в выработанное пространство, и дебит метана из нисходящих скважин резко уменьшался, приближаясь к нулю; в-пятых, эффективность дегазации надрабатываемых пластов при различных условиях и параметрах скважин составляет 5-20 %, что явно недостаточно как для безопасного ведения работ и повышения объемов добычи угля по фактору газа, так и для добычи метана с целью его утилизации.

Для скважин, функционировавших в средней части выемочного поля, характерно то, что из-за одновременно работавших 4-6 скважин концентрация метана в смеси колебалась от 20 до 100 %. В скважинах, функционировавших на заключительном этапе работы лавы, содержание метана в смеси изменялось от 30-40 до 80 %.

В условиях шахт Воркуты рациональной для дегазации надрабатываемых пластов нисходящими скважинами можно считать технологическую схему дегазации, приведенную на рис.5 [5]. Ее эффективность может достигать 30-40 %.

Эта схема дегазации с использованием фланговых (1) и участковых (2, 3) скважин будет способствовать не только снижению метанообильности участка, но предотвращенную внезапных и весьма обильных выбросов метана из надраба-тываемой толщи, способных в кратчайшие сроки загазиро-вать выработки выемочного участка.

Такой скоростной процесс метановыделения неоднократно наблюдался в глубоких шахтах Донбасса, в Карагандинском бассейне (шахта им. В.И. Ленина, пласт d6) и не

Рис. 5. Схема дегазации надрабатываемых пластов

исключена его версия на шахтах «Центральная» (взрыв метана 18.01.1998 г.) и «Воркутинская» (взрыв 13.01.2002 г.) ОАО «Ворку-тауголь». Мгновенный процесс выброса больших объемов метана случается чаще всего при наличии крепких пород, отделяющих надрабатываемые пласты угля от разрабатываемого, и в периоды посадки пород основной кровли.

Для дальнейшего повышения эффективности искусственной дегазации надрабатываемых пластов необходима новая технология, обеспечивающая удаление воды из скважин и активизирующая продуктивность скважин во время их функционирования в зоне активной разгрузки надрабатываемой угленосной толщи. Эта технология может быть основана на специальных методах воздействия на угленосную толщу, рациональной схеме расположения дегазационных скважин и оптимальном режиме их работы, позволяющих периодически освобождаться от заполняющей скважины воды и добиваться повышения эффективности дегазации не менее чем в 1,5-2 раза. Патентные проработки [6-8] могут стать основой для разработки новой технологии дегазации надрабатываемых пластов.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

при его отработке А.с. СССР, №1434134, Е2^ 7/00, Бюлл. №40, 1988.

7. Способ дегазации надрабатывае-мой толщи на пластах, отрабатываемых лавами по падению. А.с. СССР, №1481432, Е2^ 7/00, бюлл. №19, 1989.

8. Способ дегазации надрабатывае-

мой угленосной толщи. Патент РФ №2152518, Е2^ 7/00. Госреестр изобретений РФ, бюлл. №19, 2000.

1. Руководство по дегазации угольных шахт. - М.: Минуглепром СССР, 1990,

- 186 с.

2. Забурдяев В.С., Пак В.С., Пантелеев А.С. Метанообильность очистных забоев, эффективность извлечения и использования каптируемого метана. «Безопасность труда в промышленности». Издательство «ОБТ»,

- М., 1994, № 4, с. 10-14.

3. Забурдяев В.С. Оценка эффективности технологических схем очистных работ по газовому фактору. - М.: ЦНИЭИ-

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

уголь, 1979, 37 с.

4. Сергеев И.В., Забурдяев В.С. и др. Управление газовыделением в угольных шахтах при ведении очистных работ. - М.: «Недра», 1992, 256 с.

5. Методические положения по выбору и применению новых технологий дегазации и управления газовыделением на угольных шахтах. ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского, Люберцы - Макеевка, 2000, 117 с.

6. Способ дегазации угольного пласта

Забурдяев В.С. — кандидат технических наук, ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского. Пантелеев А.С. — горный инженер, ПечорНИИпроект.