О разработке научно-методических основ создания предприятий по совместной добыче угля и метана

Рис. 3. Динамика измсенения газо-обильности выемочного участка лавы 31 К10-Ю на шахте «Абайская» в декабре 2002 г.

таблице. Основная доля в газовом балансе приходится на изолированный отвод метана из-за перемычки на вентиляционном штреке - 52,3 м3/мин, что составляет 49 % от общего съема метана.

Объемы, извлекаемые этим способом, ограничиваются только пропускной способностью газопроводов и производительностью вакуум-насосов.

Как видно из таблицы суммарная эффективность дегазации составила 81,4 %. Основой такой высокой эффективности при общей газо-обильности более 100 м3/мин является взаимодействие средств вентиляции и дегазации при данной технологической схеме отработки выемочного участка. А высокая концентрация и большой объем метановоздушной смеси позволяет использовать метан для нужд шахты при утилизации метана в котельной установке.

Еще одним из важных факторов является содержание метана на сопряжении очистного

забоя с вентиляционным штреком. За счет большого объема отсасываемой метановоздушной смеси (до 200 м3/мин) по погашаемой части вентиляционного штрека со стороны выработанного пространства достигается безопасное содержание метана в «кутке» лавы.

Опыт отработки выемочных участков по этой схеме на шахтах «Абайская» и «Саранская», а также использование комплексной дегазации, позволяет сделать вывод о надежности данной схемы управления газовыделением на высоко газоносных выемочных участках, постоянно иметь ее устойчивую эффективность в 70-80 % и увеличивать нагрузку очистных забоев 10 000 т в сутки и более.

— Коротко об авторах ----------------------------------------------

Баймухаметов С.К. — доктор технических наук, профессор, технический директор, Баймухаметов Т.К. — кандидат технических наук,

Грозное Н.Н.. Полчин А.И., Хуснутдинов Р.Б. — горные инженеры,

Угольный департамент ОАО «Испат Кармет», г. Караганда.

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ Д Ш ^ ^ & Г 1 А Ц М И

Автор Название работы Специальность Ученая степень

ИНСТИТУТГОРНОГОДЕЛА им. А.А. СКОЧИНСКОГО

КОСТРОМИТИН Разработка и обоснование рациональной техно- 25.00.13 к.т.н

Андрей логии флотации труднообогатимых коксующих-

Витальевич ся углей Южно-Якутского бассейна

© К.Н. Трубецкой, В.В. Гурьянов, 2004

УДК 622.33:622.69

К.Н. Трубецкой, В.В. Гурьянов

О РАЗРАБОТКЕ НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИХ ОСНОВ СОЗДАНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ ПО СОВМЕСТНОЙ ДОБЫЧЕ УГЛЯ И МЕТАНА

Семинар № 5

А нализ современного состояния и пер./л. спектив развития подземной угледобычи в России и зарубежных странах свидетельствует об устойчивой тенденции концентрации горных работ на шахтах и повышения нагрузки на очистные и подготовительные забои.

Высокая газоносность разрабатываемых в России угольных месторождений и, как следствие, - метанообильность горных выработок являются основным сдерживающим фактором в повышении эффективности работы шахт и обеспечении безопасных условий ведения горных работ.

Технико-экономические показатели работы угольных шахт России с высокой метано-обильностью значительно хуже, чем негазовых шахт. Так нагрузка на очистной забой ниже на 35-50 %; темпы проведения горных выработок

- на 28-35 %; производительность труда - на 18-25 %, а себестоимость добычи угля выше на 10-20 % [1].

Основным источником поступления метана в шахтную атмосферу, составляющим 60-80 % от его дебита на участке при полном развитии очистных работ, являются под- и надрабаты-ваемые угольные пласты и пропластки.

На шахтах России, отнесенных к 3 категории и сверхкатегорийным по газу, возможности вентиляции как средства борьбы с газом на современных глубинах разработки угольных месторождений практически исчерпаны. Применяемые на шахтах в настоящее время технологические схемы дегазации (в большинстве своем из подземных выработок) имеют ограниченную область применения и эффективность менее 30 %, что является во многих случаях недостаточным.

При большой скорости подвигания высокопроизводительных очистных забоев вследствие сокращения времени (продолжительности) работы пластовых дегазационных скважин существенно снижается эффективность и область

применения обычных схем предварительной дегазации угольных пластов.

Современная стратегия развития подземной добычи угля предусматривает коренную реконструкцию шахтного фонда и создание новых шахт с высоким уровнем концентрации горных работ. При этом считается необходимым создание условий, в первую очередь по газовому фактору, обеспечивающих возможность повышения нагрузок на очистные забои до 5-10 тыс. т в сутки и темпов проведения подготовительных выработок до 500-600 м в месяц. Технические средства для достижения таких показателей имеются и успешно применяются на многих передовых отечественных и зарубежных шахтах [2,3]

На угольных шахтах, разрабатывающих пласты с высокой природной метаноносно-стью, реализация этой стратегии возможна при условии устранения газового барьера путем проведения комплекса работ по извлечению метана из недр на всех этапах существования шахты от строительства и подготовки первых выемочных полей до полного развития очистных работ и ликвидации шахты как угледобывающего предприятия.

Технологические схемы заблаговременного, предварительного и текущего извлечения метана из разрабатываемых пластов и выработанного пространства, т.е. шахтной дегазации, известны и применяются на шахтах России, однако реализация этих схем не обеспечивает требуемого уровня эффективности. Одной из основных причин этого является тот факт, что параметры технологических схем дегазации, последовательность их применения не увязываются в должной мере с динамикой развития горных работ и изменением геомеханической ситуации в подрабатываемом массиве. Кроме того, практически не применяется заблаговременное извлечение метана из пластов, неразгруженных горными работами, вследствие чего скоростное и безопасное проведение выработок по пластам с высокой газоносностью ста-

новится невозможным. Из-за малой природной газопроницаемости углей и, следовательно, низкой газоотдачи пласта, эффективность применяемых схем барьерной дегазации не превышает 20 %. При высокой абсолютной мета-нообильности проводимых пластовых выработок (до 14 м3/мин.) в Кузбассе и скоростях проходки 150-200 м/мес. такая эффективность дегазации явно недостаточна [4].

Выходом из этого может быть создание и применение на газообильных шахтах целостного комплекса технологий по извлечению метана в тесной увязке с развитием подготовительных и очистных работ и изменением гео-механического состояния горного массива.

В основе применяемой на передовых шахтах комплексной системы дегазации лежит принцип раздельного вывода метана на поверхность из мест его основного выделения, что обеспечивает снижение газообильности выемочного участка на 70-80 % и достижение высоких (в т. ч. рекордных) нагрузок на очистные и подготовительные забои.

Заблаговременная дегазация угольных пластов скважинами с поверхности является перспективным направлением повышения эффективности борьбы с газом, т.к. имеет большой резерв времени для изменения свойств и состояния массива и ведется обособленно от проведения горно-подготови-ельных и очистных работ. Наибольшее распространение в настоящее время получила заблаговременная дегазация с применением гидравлических способов стимулирования газоотдачи угольных пластов.

Однако гидравлические способы воздействия на угольный пласт и их производные сложны, трудоемки и не во всех условиях обеспечивают требуемую эффективность дегазации угольных пластов. В сложных горногеологических и горнотехнических условиях гидрорасчленение угольных пластов (ГРП) как способ эффективной заблаговременной дегазации рекомендуется применять в комплексе с другими способами активного воздействия на углевмещающую толщу: пневмогидровоздействием, расчленением с использованием сжиженных газов, гидроимпульсным воздействием, и рядом других [5].

Применение прогрессивных технологических схем ГРП в Карагандинском угольном бассейне показало, что из одной дегазационной скважины с поверхности с дебитом метана около 2 м3/мин. может быть извлечено несколько миллионов куб. метров газа. При этом

природная газоносность пласта снижается на 69 м3/т, а газообильность горных выработок - до 75-80 %.

Опыт использования ГРП на шахтах Караганды свидетельствует, что эффективность гидрорасчленения угольных пластов зависит от продолжительности извлечения газа из скважин. Так, для обеспечения эффективности дегазации порядка 50 % длительность извлечения газа из пласта должна составлять 5-7 лет, для достижения эффективности в 60 % - 8-10 лет и т.д. [6].

Эксперименты, проведенные в США, показали, что длительная (до 10 лет) заблаговременная дегазация угольных пластов обеспечивает снижение их метаноносности на 73-79 %, при этом не отмечается серьезных осложнений условий последующих работ по очистной выемке угля. На шахтах Блу-Крик (США) из 85 скважин извлекалось около 1 млн. м3/сутки высококондиционного метана, при этом за 7 лет шахта каптировала и продала 1,5 млрд. м3 газа на сумму 100 млн. долларов США [7].

В России и ряде зарубежных стран ведутся исследования и разработки по новым видам заблаговременной дегазации угольных пластов, основанным на более совершенных и технологичных способах воздействия на угольный пласт: электрических, виброволновых, нагнетанием инертных газов и др.

В последние годы во многих угледобывающих странах мира активизировалась работа по промышленному извлечению метана из выработанного пространства действующих шахт, а также и ранее закрытых предприятий. В настоящее время в Германии эксплуатируется 40 установок по производству электроэнергии на основе использования каптированного газа из закрытых шахт и ведутся работы по сооружению еще 10 таких установок.

На Украине разработана и реализуется комплексная программа по коренному улучшению дегазации угольных шахт, предусматривающая, осуществление комплексной дегазации шахтных полей и выработанных пространств, создание и освоение технологий для добычи угольного метана, в том числе и из неразгруженных угольных пластов, и его промышленной утилизации [8].

Таким образом, для обеспечения дальнейшего роста нагрузок на очистные и подготовительные забои на высокогазоносных угольных шахтах необходимо решение комплекса технических задач по совершенствованию схем и

технических средств управления газовыделе-нием, борьбы с пылью, эндогенной пожароопасностью и газодинамическими явлениями, заблаговременной широкомасштабной дегазации выемочных участков с последующей утилизацией каптированного метана. Единственно возможным способом предотвращения ухудшения состояния промышленной безопасности в угольной отрасли и снижения рентабельности производства является строительство новых современных угледобывающих предприятий как на действующих, так и на новых месторождениях [9].

За последние два десятилетия отечественными и зарубежными учеными создан большой научный задел по проблеме освоения ресурсов метана высокогазоносных угольных месторождений, позволивший перейти к его промышленной добыче в США, Австралии и Китае. В настоящее время проводятся научные эксперименты и подготовительные работы по организации промысловой добычи этого топлива в России (Кузбасс и Восточный Донбасс) и на Украине.

Разработка и освоение технологий извлечения газа из под- и надрабатываемых пластов и пропластков и выработанного пространства шахт, а также сорбированного метана из неразгруженных угольных пластов, основанных на применении методов искусственного повышения их газоотдачи, позволяет говорить о возможности создания предприятий с совместной добычей угля и метана. При этом существенным образом может быть изменена идеология подземной разработки высокогазоносных угольных (метаноугольных) месторождений.

Постановка и решение такой задачи стали возможными в связи с интенсификацией производственных процессов в современных шахтах и последними научными и практическими достижениями в области заблаговременного извлечения (промысловой добычи) метана из высокогазоносных угольных пластов. "Отработанность и эффективность технологий добычи метана внесут существенные изменения в методики экономической и технологической оценки месторождений и проектирования шахт. Проблема эта чрезвычайно непростая в научном, геологическом, технологическом, организационном, экономическом и нормативноправовом аспектах. Однако угольная промышленность мира встала на путь ее решения, и результаты которые будут достигнуты на этом пути, обещают кардинальным образом изме-

нить многие привычные представления о процессах угледобычи" [10].

Исследованиями, выполненными в ПИКОН РАН [11, 12], по проблеме комплексного освоения георесурсов высокогазоносных угольных месторождений показана целесообразность и обоснованы направления решения задачи по промышленному извлечению заключенного в угольных пластах метана.

Также обоснована необходимость и возможность заблаговременного извлечения (промысловой добычи) метана из неразгруженных угольных пластов в основных угольных бассейнах России [13, 14].

В частности, показана возможность существенного повышения эффективности дегазации подрабатываемой углевмещающей толщи и неразгруженных угольных пластов на основе управления геомеханическими процессами, происходящими при ведении горных работ и извлечении флюидов.

Известно, что определение порядка отработки отдельных свит (групп пластов) в пределах горного отвода шахты, последовательности разработки угольных пластов по площади шахтного поля и месторождения в целом, выбор рационального порядка выемки пластов в пределах свиты, осуществляемые при проектировании схем вскрытия и способов подготовки шахтного поля, невозможны без полной и достоверной оценки геомеханического состояния горного массива при ведении горных работ.

Научные исследования и производственный опыт свидетельствуют, что умелое использование эффекта «подработки-надра-

ботки» смежных угольных пластов свиты позволяет повышать проницаемость и газоотдачу подзащитных угольных пластов на 2-4 порядка, успешно решая вопросы дегазации пластов и предупреждения внезапных выбросов угля и газа.

Исследованиями также установлено, что при извлечении флюидов из неразгруженных угольных пластов происходит изменение напряженно-деформированного состояния углевмещающей толщи. На характер этих изменений, параметры геомеханического состояния массива и, как следствие, на проницаемость угольных пластов и их газоотдачу оказывают влияние многие факторы: глубина залегания дегазируемых пластов, их мощность и угол падения, структура вмещающих пород и их фи-зико-механичес-кие свойства, степень извлечения газа из пластов, расстояние между скважи-

нами, их расположение и ряд других. Извлечение метана из высокогазоносных угольных пластов (их дегазация) приводит к изменению деформационных свойств пластов, проявляющихся в объемном сжатии угля и усадке пласта, вследствие чего происходит расслоение вмещающих горных пород и разуплотнение горного массива [15].

Установлена взаимосвязь между напряженным состоянием, нарушенностью угольного пласта и его проницаемостью. При этом было выявлено, что совместное влияние горного давления и ориентации трещин кливажа может в определенных условиях вызвать возрастание либо уменьшение проницаемости пласта [16].

Вышеизложенное позволяет утверждать, что в настоящее время назрела необходимость и созданы предпосылки для решения задачи коренного повышения эффективности подземной угледобычи, ее технической и экологической безопасности на основе изменения традиционных походов к разработке высокогазоносных угольных месторождений и переходу к совместному освоению их основных георесурсов с более полным извлечением и использованием заключенного в угольном веществе метана.

Новый подход к освоению георесурсов таких месторождений заключается в том, что вместо строительства и эксплуатации шахт по добыче угля с одновременным проведением мероприятий по преодолению "газового барьера", следует проектировать и сооружать комплексные предприятия с интегрированными технологиями совместной добычи угля и метана, обеспечивающими осуществление производственных процессов на основе их увязки во времени и пространстве.

Основными особенностями таких комплексных предприятий являются:

- предварительное (до начала горных работ по подготовке выемочных участков и очистной добычи угля) извлечение метана из угольных пластов;

- применение технологий заблаговременного извлечения (добычи) угольного метана скважинами с поверхности с использованием перспективных способов стимулирования газоотдачи пластов, обеспечивающих снижение их естественной газоносности на 70-80 %;

- взаимоувязка работ по добыче угля и извлечению газа, исходя из необходимости достижения максимального эффекта от под- и надработки угольных пластов и разгрузки гор-

ного массива с целью повышения дебитов газодобычных скважин и обеспечения требуемого уровня остаточной газоносности разрабатываемых угольных пластов;

- извлечение метана из под- и надрабаты-ваемой углевмещающей толщи и выработанного пространства одновременно с добычей угля;

- проведение подготовительных работ для обеспечения отбора метана из подработанной углевмещающей толщи после завершения на горном отводе предприятия работ по добыче угля.

Опыт дегазации шахт, извлечения метана из неразгруженных угольных пластов, подрабатываемой (надрабатываемой) углевмещающей толщи и выработанного пространства отработанных участков и блоков шахты, а также закрытых шахт свидетельствуют о тесной взаимосвязи геологических, геомеханических и технологических аспектов функционирования предприятий по совместной добыче угля и метана и их влияния на эффективность работы таких предприятий. Оценка и учет указанных факторов при проектировании совместной добычи угля и метана должны проводиться на соответствующей методической основе, базирующейся на принципах разработки технологической модели такого предприятия.

При решении задачи создания комплексного предприятия по совместной добыче угля и метана основное внимание должно быть уделено оценке ресурсов метана в границах горного отвода будущего предприятия и смежных с ним участков осваиваемого месторождения, а также геологической характеристике рассматриваемой углевмещающей толщи, содержащей все угольные пласты и пропластки, которые будут объектами не только добычи угля, но и извлечения метана. Важнейшими вопросами при оценке ресурсов метана в рассматриваемом месторождении являются их величина, плотность распространения газа в толще и по пластам, а также формы существования газа в угольном веществе. Эти параметры являются определяющими при выборе технологий извлечения газа и расчете технико-

экономических показателей его добычи.

Вышеизложенные положения следует рассматривать как принципиальные подходы к разработке научно-методических основ создания предприятий по совместной добыче угля и заключенного в нем метана.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Балашов ИБ. Оценка основных направлений реструктуризации шахтного фонда России и разработка мер по повышению эффективности их работы: дисс. к. т. н., М.: 2001. - 142 с.

2. Малышев Ю.Н. Современные подходы к рентабельному освоению угольных месторождений, Уголь №3, 2000, с. 37-42.

3. Малышев Ю.Н. Уголь и альтернативная экологически чистая энергетика. Общеэкономические аспекты. - М.: Изд-во АГН, 2000. - С. 23-27.

4. Проблемы разработки метаноносных пластов в Кузнецком угольном бассейне/Ю.Н. Малышев, Ю.Л. Худин, М.П. Васильчук и др. - М.: Изд-во АГН, 1997. -463 с.

5. Сластунов С.В. Заблаговременная дегазация и добыча метана из угольных месторождений. - М.: МГГУ, 1996, 441 с.

6. Сластунов С.В. Проблемы угольного метана и их технологические решения/Сб. Современные проблемы шахтного метана. -М.: МГГУ. 1999. - С. 50-61.

7. Куускраа В.А. Снижение эмиссии метана на угольных шахтах: бассейны Ворриэр и Кузнецкий /Сб. Сокращение эмиссии метана: доклады II международной конференции. Новосибирск, изд. СО РАН, 2000. с. 339347.

8. Кабінет Міністрів Украіни. Постанова від 6 липня 2002 р. № 939 "Про затверджений Програми підвищення безпеки праці на вугі льних шахтах".

9. Государственный Совет Российской Федерации, рабочая группа по вопросам государственной политики развития угольной отрасли. Доклад об основных направлениях государственной политики развития угольной отрасли и повышения конкурентоспособности её продукции на внутреннем и внешнем рынках. Уголь, № 10, 2002, с. 10.

10. Грицко Г.И. Проблемы добычи метана из угольных пластов и шахт. Метан угольных шахт: прогноз, управление, использование. Препринт метанового проекта. №3, 1995, с. 1-2.

11. Зимаков Б.М., Натура В.Г., Хрюкин В.Т. Геологические перспективы добычи метана в Кузнецком бассейне. - М.: 1992.- 90 с. (Геология, методы поисков, разведки и оценки месторождений топливноэнергетического сырья. Обзор/МГП "Геоинформмарк").

12. Трубецкой К.Н., Стариков А.В., Гурьянов В.В. Добыча метана угольных пластов - перспективное направление комплексного освоения георесурсов угленосных отложений. Уголь, № 6, 2001. с. 36-38.

13. Трубецкой К.Н., Гурьянов В.В., Матвиенко Н.Г., Зимаков Б.М. Перспективы освоения ресурсов метана на угольных месторождениях России // Проблемы аэрологии горнодобывающих предприятий. Сб. научных трудов НГАУ № 5, Днепропетровск, 1999. с. 21-25.

14. Карасевич А.М., Хрюкин В.Г., Зимаков Б.М., Матвиенко Н.Г. и др. Кузнецкий бассейн - крупнейшая сырьевая база промысловой добычи метана из угольных пластов. М.: Изд-во АГН, 2001, 86 с.

15. Гурьянов В.В., Иофис М.А. О повышении эффективности заблаговременной дегазации свиты угольных пластов на основе управления геомеханическими процессами в горном массиве. МГГУ, Горный информационно-аналитический бюллетень № 7, - М.: Изд-во МГГУ.- 2000. - С. 146-149.

16. Массоротто П., Рудольф В., Гольдинг С. Новое оборудование по определению 3-Д проницаемости помогает решать проблемы выделения метана /Сб. Сокращение эмиссии метана: доклады II международной конференции. Новосибирск, изд-во СО РАН, 2000, с. 392-402.

— Коротко об авторах -----------------------------------

Трубецкой Климент Николаевич — академик РАН, директор,

Гурьянов Владимир Васильевич - профессор, доктор технических наук, Институт проблем комплексного освоения РАН.

------ф

^------

----------------------------------------- © В.А. Бобин, 2004

УДК 622.324.5 В.А.Бобин

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВОЛНОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СТЕПЕНЬ ДЕГАЗАЦИИ ГАЗОНАСЫЩЕННОГО УГЛЯ*