Подготовка мощных высокогазоносных угольных пластов для совместной добычи угля и метана

метана в факеле обеспечивается значительное снижение выбросов ПГ. Так 1 тонна С02 образуется при сжигании 512 м3 СН4, которые при выбросе в атмосферу эквивалентны 7,16 т С02. Следовательно, сжигание каждой 1000 м3 метана эквивалентно снижению выбросов С02 на 12 т, т.е. при сжигании в факеле 20 м3/мин метана ежегодное снижение выбросов составит 126 тыс. т С02.

При утилизации метана в котельной (в варианте перевода с угля на газ) выбросы С02 при той же тепловой мощности снизятся в 1,74 раза, т.е. при переводе одного котла ДКВР-10/13 абсолютные выбросы двуокиси углерода снизятся почти на 15 тыс. т. в год. С учетом ликвидации выброса метана эквивалентного

146 тыс. т С02, общее снижение выбросов составит более 160 тыс.т. Поэтому для работ предусматривающих использование метана, извлекаемого при разработке угольных месторождений большое значение имеет развитие рынка углеродных кредитов.

Опыт использования шахтного метана за рубежом, результаты научно-исследова-

тельских работ в нашей стране, а также динамика цен на природный газ и другие виды топлива показывают, что в ближайшем будущем следует ожидать увеличения объема использования и расширения направлений применения метана угольных месторождений.

___ Коротко об авторах ___________________________________

Коликов Константин Сергеевич — доктор технических наук, доцент, Бобнев Ю.Н — кандидат технических наук,

Московский государственный горный университет.

------------------------------------------ © В.Н. Клишин, В.Н. Власов,

Ю.С. Фокин, Д.И. Кокоулин,

Т.М. Тарасик, 2004

УДК 622.33:622.69

В.Н. Клишин, В.Н. Власов, Ю.С. Фокин,

Д.И. Кокоулин, Т.М. Тарасик

ПОДГОТОВКА МОЩНЫХ ВЫСОКОГАЗОНОСНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ДЛЯ СОВМЕСТНОЙ ДОБЫЧИ УГЛЯНМЕТАНА

Семинар № 5

ировые тенденции непрерывного роста энергопотребления, удваивающегося каждые 20 лет, на фоне истощающихся запасов нефти, природного газа, роста общих и удельных затрат на добычу минераль-

ных энергоносителей привел к необходимости разработки в России перспективной (на ближайшие 20 лет) государственной стратегии те-плоэнергопотребления в различных отраслях промышленности.

В нашей стране уголь всегда являлся одним из важнейших видов топлива и в начале 50-х годов обеспечивал 60 % потребностей в энергетическом сырье. Основными направлениями развития отечественной угольной промышленности в ближайшее время и на более отдаленную перспективу являются обеспечение роста экономической эффективности предприятий, их техническая и экологическая безопасности. Анализ состояния подземной угледобычи свидетельствует, что важнейшим фактором, сдерживающим развитие этих направлений, является газообильность угольных шахт. В связи с постоянным углублением горных работ их количество будет возрастать, хотя уже сегодня около 80 % из них относятся к метанообильным. Ресурсы метана промышленного значения в угольных бассейнах России значительны и оцениваются более 50 трлн м3, из них в Кузнецком бассейне - более 13 трлн м3 [1]. Такие запасы позволяют рассматривать этот газ как дополнительный сырьевой источник, целесообразность крупномасштабной добычи которого очевидна.

Вместе с тем, эффективность применяемых способов, средств вентиляции и предварительной дегазации на глубоких горизонтах значительно снижается, что обусловлено, прежде всего, ухудшением коллекторских свойств и фильтрационных параметров угольных пластов, повышением сорбционной способности углей в связи с ростом степени их метаморфизма и горного давления. В среднем в каждой

Рис. 1. Принципиальная схема подготовки высокогазоносных мощных пластов угля для совместной добычи угля и метана

тонне российского угля заключено 8,3 кг метана. В результате снижается безопасность горных работ, производительность и эффективность применения современной проходческой и выемочной техники. Кроме того, фактическое отсутствие на угольных шахтах безотходных технологических комплексов по каптирова-нию и промышленной утилизации углеметана приводит к значительным его выбросам в атмосферу, что увеличивает экологическую нагрузку на окружающую среду. По различным оценкам уровень утилизации метана в России не превышает 1-2 % [2].

Следовательно, современная стратегия развития геотехнологий подземной угледобычи, основанная на создании шахт с высоким уровнем концентрации горных работ, должна предусматривать также эффективные мероприятия по заблаговременной дегазации. Это позволит существенно увеличить объемы добычи угля, а за счет промышленной утилизации попутно извлекаемого углеметана стабилизировать все возрастающие затраты на его добычу.

В зависимости от горно-геологических условий залегания мощных угольных пластов их отработку осуществляют одним или несколькими слоями. Однослоевая система разработки наиболее рациональна, но имеет ограничения по мощности вынимаемого пласта, ввиду громоздкости оборудования. Впервые в мировой практике отечественные специалисты внедрили технологию добычи угля механизированными комплексами с выпуском его из подкро-вельной или межслоевой толщи, основанную на использовании

горного давления для обрушения толщи. Ее преимущества - значительное сокращение объемов подготовительных работ, капитальных и эксплуатационных затрат, энергоемкости,

опасности самовозгорания угля в результате одностадийной выемки пласта, а также возможность разработки указанных пластов в сложных условиях и извлечение запасов из оставленных ранее охранных целиков. Трудности реализации -

М|'-'П1 1,1... •

станция

у//.

полнота выпуска и зольность угля, механизация работ. Это требует геомеханичекого обоснования и изучения процесса выпуска угля через выпускные окна в секции механизированной крепи.

Такие исследования выполнены в ИГД СО РАН. В результате предложен способ управления процессом гравитационного движения угля при выпуске его из межслоевой толщи - в зоне повышенного горного давления над секцией крепи. Основная идея заключается в принудительном выпуске угля единым управляемым потоком из межслоевой толщи по длине очистного забоя (в зависимости от производительности конвейера) за счет одновременного включения регулируемых по производительности питателей. Большая площадь потока исключает зависание угля, засорение его породами кровли и опасность самовозгорания в очистном пространстве.

Вместе с тем, извлечение метана из высокогазоносных угольных пластов приводит к изменению их деформационных свойств, проявляющихся в объемном сжатии угля и усадке пласта, вследствие чего происходит расслоение вмещающих горных пород и разуплотнение горного массива [3].

Все это позволило в ИГД СО РАН предложить технологию ведения подземных очистных работ в забое, коренным образом изменяющую

Рис. 2. Способ отработки мощных пластов угля с совмещением добычи угля и метана: а - вертикальный разрез; б - сечение А-А

условия труда горнорабочих и повышающую технико-

экономические показатели. Важным технологическим приемом является разрушение и дегазация межслоевой или надкровельной толщи для выпуска угля через питатели механизированного комплекса, за счет образования ослабляющих массив штреков, за-ходок и скважин, их разупрочнения и дегазации методами гидроувлажнения, флюидоимупльсного разрыва, вибровоздействия, а также спецсредств механизированного комплекса с использовани-емгорногодавления (рис. 1).

Пласт разделяют на слои, слои б на лавы. Между слоями оставляют межслоевую толщу, для однослоевой системы -надкровель-ную. Ведут проходку горноподготовительных и нарезных выработок, монтажных камер; в монтажных камерах верхнего и нижнего слоев - сборку механизированных комплексов, включающих соответственно крепи с возможностью настила на почву слоя разделяющего перекрытия при передвижении комплекса и крепи с одновременным дозированным выпуском. Затем монтажные камеры расширяют в забои и ведут очистную выемку угля (рис. 2).

Верхний слой отрабатывают камерностолбовым способом по простиранию. При этом одновременно в межслоевой или надкровельной толще проходкой серии выработок образуют дегазационный слой. В нем проходят определенным образом, например, параллельно очистному забою вентиляционные штреки с временным креплением гидро-фицированными передвижными тумбами. Указанные штре-ки ведут из конвейерных штреков лавы, что позволяет обеспечить одновременно вентиляцию и транспорт угля конвейерами.

Затем из вентиляционных штреков проходят тупиковые заходки. Одновременно с этим из вентиляционного или конвейерного штреков лавы в зависимости от горно-геологических условий на определенном расстоянии друг от

друга бурят скважины или нарезают щели. Такая схема проведения выработок и скважин ослабляющих массив, при которой из межслоевой и подкровельной толщи вынимается до 30 % угля, позволяет уже в достаточной степени ослабить массив, поскольку под действием горного давления происходит его разрушение.

Нужно отметить, что тупиковые выработки проходят последовательно друг за другом с использованием одного комплекта оборудования для проходки, транспорта и временного крепления выработок. По окончании добычных работ в этой выработке в скважинах, если не начался процесс разрушения угля, проводят дополнительные мероприятия по разупрочнению и дегазации угля. При этом всю технику уводят из забоя, переходя к новой тупиковой выработке.

Все технологические операции в дегазационном слое проводятся при постоянной откачке газа и подаче воздуха в забой. Разрыхленная до необходимой степени толща с оставлением над крепью нижнего слоя «пропластка» во избежание обвалов и неустойчивого контакта с верхним перекрытием крепи поступает к питателям механизированной крепи. Ими оборудованы все секции, что позволяет одновременно включать в работу необходимое их количество и, следовательно, регулировать величину опорного давления над механизированной крепью.

Необходимо продолжить дальнейшие тео-

1. Гринько НК., Забурдяев B.C. Нерешенные проблемы очистных забоев в российских угольных шахтах// Уголь. 2003. №1. с.28-31.

2. Трубецкой К.Н., Гурьянов В.В. Повышение эффективности подземной разработки высокогазоносных угольных месторождений на основе организации совме-

стной добычи угля и метана// Уголь.

ретические и экспериментальные исследования по обоснованию физических возможностей извлечения метана из неразгруженных угольных пластов с последующей практической их реализацией.

Представленная технология, обеспечивающая эффективную разработку мощных и метанонасыщенных пластов на больших глубинах, позволят повысить производительность очистных забоев до уровня, соответствующего техническим возможностям современного выемочного оборудования (5000 - 10000 т/сут), за счет разупрочнения налегающей кровли и угля, а также сокращения временных и трудозатрат на шахтные дегазационные и вентиляционные работы. Кроме того, возможно «промысловое» извлечение и промышленная утилизация угле-метана со средних и больших глубин (до 1000— 1500 м) угольных месторождений путем кап-тирования его сеткой высокодебитных (свыше 10 тыс. м3/сут) вертикальных и наклонных скважин, пробуренных с поверхности. В свою очередь это повысит эффективность и значительно сократит сроки заблаговременной дегазации подготавливаемых к выемке метанонасыщенных угольных пластов, снизит их выбросоопасность и обеспечит безопасность труда. Снижение выбросов в атмосферу газообразных отходов угледобычи и перевода работы шахтных котельных с угля на газ уменьшит негативное воздействие на окружающую среду.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2003. №9. С.3-6.

3. Гурьянов В.В., Трофимов В.А., Шик В.М. Результаты моделирования геомеханических процессов в углевмещающей толще при извлечении из нее флюидов Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: Изд-во МГГУ. - 2002. №6. - С. 62-66.

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

Клишин В.Н. - доктор технических наук, зав. лабораторией подземной разработки угольных месторождений, Власов В.Н. - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник,

Фокин Ю.С. - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник,

Кокоулин Д.И. - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник,

Тарасик Т.М. - кандидат технических наук, ученый секретарь,

ИГД СО РАН