Разработка мероприятий по снижению газовой и газодинамической опасности при проведении подготовительных выработок по мощным высокогазоносным угольным пластам

М. С. Плаксин

канд. техн. наук, научный сотрудник Института угля СО РАН

В. А. Пичугин

заместитель главного инженера шахты «Алардинская»

УДК 622.831.322

РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО СНИЖЕНИЮ

ГАЗОВОЙ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ

ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК

ПО МОЩНЫМ ВЫСОКОГАЗОНОСНЫМ УГОЛЬНЫМ ПЛАСТАМ

Рассматриваются задачи газовой и газодинамической опасности при проведении подготовительных выработок по мощным высокогазоносным пластам. Представлены решения на основе современных знаний о развитии газогеомеханических процессов в окрестности проводимой выработки.

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

Ключевые слова: ПОДГОТОВИТЕЛЬНАЯ ВЫРАБОТКА, ГАЗОГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ДИНАМИКА, МЕТАНООБИЛЬНОСТЬ, ГАЗОВАЯ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ ОПАСНОСТЬ

Анализ метанообильности при проведении выработки по высокогазоносному мощному угольному пласту

При подземной разработке высокогазоносных угольных месторождений, кроме повышенной газовой опасности (за-газирования рабочего пространства выработок), нередко существует вероятность возникновения опасных динамических и газодинамических явлений (ГДЯ), в частности горных ударов и внезапных выбросов [1]. Положение может усугубляться проявлением газодинамических взломов почвы выработки при наличии в ней пачек перемятого угля. Если между выработкой и пачкой угля имеется породный прослой, то он может стать причиной «газовой» закупорки

газового потенциала нижней части пласта, разгружаемой от горного давления [2].

Проанализируем метанообильность разведочного вентиляционного штрека (РВШ) 6-1-11 шахты «Алардинская» ОАО «ОУК «Южкузбассуголь».

В 2011-2012 гг. выработка проводилась по пласту 6. Мощность угольного пласта - от 8,86 до 9,88 м. Глубина ведения работ - 455...462 м. Длина выработки - 1100 м. Высота выработки -4,5 м. Сечение выработки в проходке - 19,5 м2. Система аэрогазового контроля - «Devis Derby Limited» (Великобритания).

На рисунке 1 представлен график метанообильности призабойной части выработки, построенный по среднечасовым данным.

J( m-Vmhh

------1-----1------1-----------1-----1------1-----1-----1------1---------------------1-1

0 100 2йС 300 400 500 600 700 800 900 Ь,м 1100 1200 1300

Рисунок 1 - Среднечасовая метанообильность призабойной части разведочного вентиляционного штрека 6-1-11

научно-технический журнал № 2-2013

вестник 85

В выработке наблюдается повышенная метанообильность. Высокая плотность данных, затрудняющая анализ физических процессов, характерна для высокогазоносных пластов, а импульсы показаний указывают, прежде всего, на флуктуации в аэрогазовом потоке. С целью сглаживания флуктуаций определены среднесменные и среднесуточные значения метаноо-бильности РВШ 6-1-11 (рисунки 2, 3) по показаниям как забойного датчика, так и датчика на исходящей из выработки струе воздуха (рисунок 4).

В масштабе среднесуточных значений показания менее подвержены этому влиянию и периодичность изменений по трассе выработки более выражена.

Видим, что по мере движения метановоздушной смеси к устью выработки импульсы сглаживаются за счет процесса продольно-турбулентной диффузии и показания датчиков приближаются к реальной динамике газогеомехани-ческих процессов в приконтурной части пласта и скорости выделения газа из отбиваемого угля (рисунок 4).

Сравнивая данные на рисунках 3 и 4, где средние значения метанообильности в призабойной зоне 4,9 м3/мин, а на исходящей струе выработки - 7,3, можно сделать вывод о значительности объема дебита метана из приконтур-ной части пласта с бортов выработки на ранее пройденных интервалах ее подвигания.

Переходя к детальной оценке динамики метанообильности, отметим, что производительность вентиляционных установок для обеспечения бесперебойных условий проведения выработки должна быть ориентирована на пиковые значения метанообильности. Максимальные среднесуточные значения метано-обильности в забое составляют (рисунки 1 и 3) около 15 м3/мин,среднечасовые 22 м3/мин. Следовательно, например, минутные значения системы контроля будут еще выше. Снижения амплитуды импульсов традиционно обеспечиваются либо снижением темпов проведения выработки, либо повышением эффективности мероприятий по дегазации приконтурной части пласта (барьерные и (или) разгрузочно-дегазационные скважины).

,1, мЗДинн

Рисунок 2 - Среднесменная метанообильность призабойной части разведочного вентиляционного штрека 6-1-11

Рисунок 3 - Среднесуточная метанообильность призабойной части разведочного вентиляционного штрека 6-1-11

научно-технический журнал № 2-2013

86 ВЕСТНИК

Т, м^мнн

Рисунок 3 - Среднесуточная метанообильность призабойной части разведочного вентиляционного штрека 6-1-11

Возможностей существующей барьерной дегазации в соответствии с действующей «Инструкцией по дегазации угольных шахт» недостаточно, как видно из представленного анализа.

Бурение разгрузочных скважин (0 130250 мм, L = 12-15м) снижает газодинамическую опасность, но общую газовую обстановку в призабойной части выработки ухудшает, поскольку скважины не подключаются к дегазационному ставу.

Для снижения вероятности загазирования выработки и ГДЯ необходимо применение дополнительных локальных способов воздействия на приконтурную часть угольного пласта в пределах зоны активных газогеомеханических процессов.

Мероприятия по снижению газовой и газодинамической опасности

Из опыта ведения горных работ известно, что для достижения необходимой эффективности дегазации скважинами неразгруженного пласта с помощью традиционных технологий требуется период времени, не приемлемый по темпам развития горных работ [3, 4]. Для устранения этого недостатка необходимо интенсифицировать процесс газоистощения приконтурной части пласта. Один из таких способов разработан ИУ СО РАН в начале 90-х годов [5]. Способ основан на применении поинтервального ориентированного гидроразрыва угольного пласта через скважины.

Применительно к рассматриваемым условиям технологические схемы его применения представлены на рисунке 5. Соединенные со скважиной и ориентированные нормально напластованию щели гидроразрыва являются в первую очередь коллекторами для сбора метана, выделяющегося через их берега.

С учетом строения пласта 6 и при наличии параллельной выработки возможно применение схемы, представленной на рисунке 6. Вскрываемые выработкой устья скважин тампонируются или подключаются к дегазационному ставу.

научно-технический журнал № 2-2013

вестник о7

1 - скважины; 2 - щели гидроразрыва; 3 - забой выработки;

4 - дегазационный трубопровод;

5 - водоотделитель; 6 - шпуры

Рисунок 5 - Технологические схемы поинтервального ориентированного гидроразрыва угольного пласта: а - через барьерные скважины; б - через шпуры

а

б

1 - скважины; 2 - устья скважин; 3 - щели гидроразрыва

Рисунок 6 - Схема бурения дегазационных скважин при проведении сближенных

подготовительных выработок

Количественное обоснование параметров мероприятий по снижению газовой и газодинамической опасности

Уровень современного технического оснащения шахт в совокупности с современными научными знаниями в области развития газо-геомеханических процессов позволяет автоматизировать контроль уровня газодинамической активности угольного пласта при проведении

подготовительной выработки. В качестве примера на рисунке 7 представлены данные о ме-танообильности выработки, совмещенные с канонической шкалой геоструктурной иерархии (п) [6]. Установлено [7], что приближение значений метанообильности к уровню шкалы 3 является сигналом о входе выработки в зону повышенной газодинамической активности пласта, указывая на необходимость применения соответствующих мероприятий или повышения их качества.

Д,]^ЬЯП1

]6нп игряж : I II ............Гамппр. чгг]»: СМ-И

Рисунок 7 - Общее метановыделение из подготовительных выработок с применением шкалы геоструктурной иерархии

При этом мониторинг метанообильности в канонической шкале геоструктурной иерархии служит не только для контроля газодинамической активностью пласта, но и для уточнения параметров применяемых мероприятий. На рисунке 8 показаны размеры зон разгрузки приконтурной части угольного пласта ri (r1, r2), соответствующие значению показателя а и фактическим данным о метанообильности выработки (рисунок 7).

Таким образом, для повышения безопасных темпов проведения подготовительных выра-

боток по мощным высокогазоносным угольным пластам, кроме технических решений по снижению газовой и газодинамической опасности и прогноза их метанообильности, целесообразно внедрение непрерывного дистанционного контроля на существующей технической базе шахт. Представленные результаты разработки методических основ совершенствования известных и создания новых мероприятий по обеспечению безопасных условий высокопроизводительных горных работ соответствуют этой цели.

1 - барьерная дегазационная скважина; 2 - дегазационная ниша; 3 - щели гидроразрыва; г2, г2 - расстояние от центра выработки до зоны повышенной дезинтеграции, м;

Хтах 1 и Хтах2 - размер зоны газового дренирования угольного пласта в бортах выработки через 4 ч с момента обнажения пласта и через 5 сут, соответственно, м

Рисунок 8 - Рекомендуемая схема дегазации барьерными скважинами

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Зыков, В. С. Внезапные выбросы угля и газа и другие газодинамические явления в шахтах / В. С. Зыков. - Кемерово: Полиграф, 2010. - 333 с.

2. Полевщиков, Г. Я. Газодинамические следствия зональной дезинтеграции массива при проведении подготовительной выработки / Г. Я. Полевщиков, М. С. Плаксин // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2011. - № 5. - С. 3-7.

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

4. Полевщиков, Г. Я. Повышение эффективности комплексного управления газовыделением на выемочном участке шахты / Г. Я. Полевщиков, Е. Н. Козырева, М. В. Шинкевич // Вестник Научного цен-

тра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2012. - № 2. - С.20-27.

5. Инструкция по применению ориентированного гидроразрыва пласта для предотвращения газодинамических явлений при проведении подготовительных выработок. - Кемерово: ИУ СО РАН, 1994. - 9 с.

6. Опарин, В. Н. Зональная дезинтеграция горных пород и устойчивость подземных выработок / В. Н. Опарин, А. П. Тапсиев, М. А. Розенбаум [и др.]. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. - 278 с.

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

MEASURES DEVELOPMENT TO REDUCE Плаксин Максим Сергеевич

GAS AND GAS-DYNAMIC DANGER WHEN е-mail: plaksin@bk.ru

HEADING PREPARATION OPENING IN THICK

COAL SEAMS WITH HIGH GAS CONTENT Пичугин Владимир Александрович

M. S. Plaksin, V. A. Pichugin е-mail: Vladimir.Pichugin@uku.com.ru

The tasks of gas and gas-dynamic danger are

reviewed when preparation openings are headed in

thick coal seams with high gas content. Decisions

based on modern knowledge about development of

gas-geomechanical processes around the headed

opening are presented.

The work is fulfilled with financial support of

interdisciplinary integration project of SB RASc No

99 and partnership integration project of SB RASc

No 100.

Key words: PREPARATION OPENING, GAS-

GEOMECHANICAL PROCESSES, DYNAMICS,

GAS AND GAS-DYNAMIC DANGER

90