Дегазационная подготовка высокогазоносных угольных пластов к безопасной и интенсивной разработке

ститут физики горных процессов НАН Украины и другие. Их роль в различных ситуациях, возникающих на шахтах, бывает просто неоценимой. Поэтому и в дальнейшем шахтам необходимо теснее взаимодействовать с наукой, решать совместно возникающие проблемные вопросы. В конечном итоге это скажется на повышении уровня промышленной безопасности и улучшении охраны труда на шахтах.

Свою принципиальную позицию в разрешении проблемных вопросов по обеспечению промышленной безопасности угольных шахт, в предоставлении государственной финансовой поддержки на эти цели и впредь будет высказывать и отстаивать Государственный Комитет Украины промышленной безопасности, охраны труда и горного надзора и его территориальные управления в угледобывающих регионах страны.

------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ткачук С.П., Бобров.А.И., Жуйков С.Ю., Иванов Ю.А. Перспективы автоматизации контроля аэрогазовой обстановки в угольных шахтах. Киев, Охрана труда.- 1998, № 8. - С.29-32.

2. Бусыгин К.К., Иванов Ю.А., Кошман А.В. Применение комплекса КАГИ при автоматизации контроля и управления проветриванием в тупиковых выработках. Макеевка: Сб.научн. трудов МакНИИ “Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах”, 2001.- С.174-179.

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

Румежак О.Н., Малеев Н.В., Мартынов А.А. - Госгорпромнадзор Украины, Киев, Донецк.

----------------------------------- © С.В. Сластунов, К.С. Кашапов,

Г.Д. Задавин 2007

УДК 622.411.33

С.В. Сластунов, К. С. Кашапов, Г.Д. Задавин

ДЕГАЗАЦИОННАЯ ПОДГОТОВКА ВЫСОКОГАЗОНОСНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ К БЕЗОПАСНОЙ И ИНТЕНСИВНОЙ РАЗРАБОТКЕ

ж'^сновной проблема высокопроизводительной и безопасной '-^разработки высокогазоносных угольных пластов - содержащийся в них метан, с которым связаны такие основные опасности подземной угледобычи как взрывы метана и пыли, внезапные выбросы угля и газа с катастрофическими последствиями. Последние трагические события на шахте им. Ленина (Казахстан) и шахте «Ульяновская» (Россия) только это подтверждают.

Проблему обеспечения метанобезопасности целесообразно рассмотреть на примере Карагандинского угольного бассейна. На шахтах бассейна применялись и применяются в настоящее время более 20 различных способов и схем дегазации. Традиционно серьезный подход к состоянию дегазации в бассейне привел к тому, что эффективность дегазации на шахтах бассейна стабильно находится на высоком уровне.

Карагандинском угольном бассейне накоплен уникальный опыт концентрации работ по дегазации в управлении «Спецшах-томонтаждегазация» (УСШМД), которое было в 1970 году создано и предназначалось для выполнения и научно-практического обоснования основных дегазационных работ. Благодаря технически грамотной инженерной политике в практику работы шахт была введена комплексная дегазация подготавливаемых к разработке угольных пластов и выемочных участков, эффективность которой достигает 60-80 %.

Работы по заблаговременной дегазационной подготовки (ЗДП) шахтных полей через скважины с поверхности по инициативе академика А.А. Скочинского были начаты более 40 лет назад За время испытаний, опытно-промышленной апробации и внедрения этого способа только в Карагандинском бассейне было обработано более 50 млн. т запасов угля через 140 скважин на 10 шахтных полях. К настоящему времени в зонах ЗДП добыто более 25 млн. т угля.

Целесообразность проведения ЗДП не всегда была очевидна. На многих шахтах других бассейнов она не очевидна и сегодня. В первую очередь это связано с достаточно большими капиталовложениями, которые могут окупиться лишь через 3-5 и более лет. Кроме того, вызывала сомнения надежность достижения необходимой эффективности, что связано с тем, что скважины по экономическим соображениям бурятся на расстоянии 250-300 м друг от друга и между ними могут оставаться необработанные и,

следовательно, не дегазированные участки пласта. Особенно недопустимо это с позиций обеспечения выбрособезопасности.

В настоящее время на эти вопросы в Карагандинском угольном бассейне получены определенно положительные ответы. Угольным Департаментом АО «Миттал Стил Темиртау» взято направление на отработку рентабельных высокопроизводительных очистных забоев с переходом к более совершенному по уровню концентрации и интенсификации горных работ, технологическому процессу «шахта - лава».

Среднемесячная нагрузка на очистной забой на шахтах постоянно и существенно возрастает и превысила в настоящее время на ряде шахт 400 тыс. т в месяц.

В этих условиях резко повышается абсолютная газообиль-ность выемочных участков и только комплексная дегазация позволяет ведение горных работ с высокими техникоэкономическими показателями. Но даже при эффективности комплексной дегазации в 75-80 % абсолютное газовыделение в атмосферу шахты достигает 30 м 3 в минуту и сдерживает интенсивность отработки угольного пласта. Достигнутая в настоящее время эффективность комплексной дегазации в значительной мере определяется глубокой дегазацией выработанного пространства. Однако, с ростом нагрузки на очистной забой резко возрастает вклад метана, выделяющегося из разрабатываемого пласта и разрушаемого в забое угля. Дальнейшее совершенствование дегазации в условиях роста нагрузок на очистной забой свыше 4-5 тысяч т в сутки возможно только за счет извлечения метана непосредственно из разрабатываемого угольного пласта.

Пластовая дегазация угольного пласта из подземных выработок имеет определенные ограничения по эффективности, что связано с ограниченным временем функционирования пластовых скважин, снижением проницаемости пласта с увеличением глубины его залегания и невозможностью проведения мощных активных воздействий на толщу из-за близости горных выработок к объекту дегазации.

Проведенная оценка необходимой величины снижения газоносности показала, что при газоносности пласта 20-25 м3/т на глубине свыше 500 метров и при нагрузках на лаву свыше 4000-5000 т в сутки необходим дополнительный способ дегазации, которым может являться заблаговременная дегазаци-

онная подготовка угольных пластов, проводимая за несколько лет до начала их отработки.

Показано для средних условий ряда шахт Карагандинского бассейна, что для обеспечения нагрузки на лаву 4000, 5000, 6000 т/сут требуется дополнительное снижение газоносности пласта на 3,0; 4,8 и 6,0 м3/т соответственно.

Опыт освоения скважин ЗДП с использованием активных воздействий показывает, что данная технология может обеспечить 50-процентное снижение природной газоносности и извлечение на поверхность 6-9 м3/т. Общее снижение газовыделения в горные выработки может быть снижено на 11-12 м3/т с учетом специальных дополнительных воздействий (например, гидровоздействие в режиме фильтрации на последней стадии работ), обеспечивающих повышение остаточной газоносности угля за счет блокирования метана в мельчайших порах и трещинах пласта.

Достоверно доказать экономическую обоснованность и состоятельность заблаговременной дегазационной подготовки позволили последние работы на поле шахты им. Ленина в Карагандинском угольном бассейне, где скважины с поверхности функционировали более 8 лет и продолжают функционировать по извлечению метана из особо выбросоопасного мощного пласта Д6. За 8 лет из 14 скважин было извлечено более 20 млн. м3 100 %-го метана, что позволило снизить газоносность пласта на 6-9 м3/ т и обеспечить существенную экономическую эффективность этих работ за счет сокращения объема проведения подготовительных выработок, роста добычи угля в зонах ЗДП, утилизации метана на обогревателе нового клетьевого ствола % [1].

Но необходимо отметить, что экономическая отдача последовала почти через 8 лет после сложения средств - в этом наиболее серьезный инвестиционный барьер к внедрению рассматриваемой технологии в практику угледобычи, особенно в настоящее время.

Однако, есть разновидность технологии заблаговременной дегазационной подготовки (так называемая технология ЗДП - 2, по которой в пласт после раскрытия трещин надо только подать воду в количестве до 30 л/т запасов угля в зоне гидрорасчленения плата (ГРП) по данным многолетних исследований профессора Л.В. Савенко в Донбассе), которая позволяет обеспе-

чивать интенсивную разработку пластов уже через 1,0—1,5 года после ее осуществления. Освоение скважин (извлечение воды) и извлечение угольного метана на поверхность по данной технологии не предусматривается.

Известно, что на ряде шахтных полей возможности интенсивного извлечения метана крайне ограничены. Таких полей за 40 лет существования технологии заблаговременной дегазации было не мало. Для условий неразгруженных угольных пластов интенсивное извлечение метана скорее исключение, чем правило.

Эффективность заблаговременной дегазации зависит от:

♦ качественного и равномерного раскрытия трещин на экономически обоснованном расстоянии от скважины;

♦ объема рабочей жидкости и времени ее выдержки в пласте;

♦ эффективности извлечения метана из пласта.

Эффективность заблаговременной дегазации далеко не всегда коррелирует с эффективностью извлечения метана. Самый близкий пример - последние работы по оценке эффективности ЗДП на поле шахты им. Ленина в Карагандинском угольном бассейне, где проведены горные работы в зонах 14 скважин заблаговременной дегазационной подготовки, осуществленной по технологии МГГУ.

Например, из скв. № 5 извлечено 250 тыс. м3 метана (т.е. всего 0,76 м3/т), при этом снижение газообильности в ее зоне составляет 80 %.

Из скв. № 12 извлечено 2 млн. м3 метана (или 6 м3/т), при этом эффективность по снижению газообильности в этой зоне в два раза меньше - 42 %.И это при всех прочих равных условиях. Причем это не единичный пример только на данном объекте испытаний.

Вывод: эффективность заблаговременной дегазации может достигаться только за счет первых двух факторов, т.е. без извлечения метана из угольного пласта.

И этот вывод подтверждается всем многолетним опытом работ в Донецком и Карагандинском угольных бассейнах.

На шахтах им. Ленина, им. Костенко и ряде других шахт Карагандинского бассейна многочисленные исследования показали: остаточная газоносность увлажненного участка на 3, 5 г 4, 8 м3/т выше, т.е. приблизительно в 2,5 раза [1] .

В Донбассе с известные и опубликованные исследования эффективности снижения газообильности горных выработок в зонах скважин ГРП на 5 шахтных полях, из которых не извлекался газ (зоны скважин, из которых производилась обработка угольных пластов в режиме фильтрации или ГРП проводилось без удаления рабочей жидкости из пласта) показали снижение газообильности лав на 35-90 % [2].

Первый существенный фактор повышения эффективности заблаговременной дегазации в этих условиях - угольный пласт содержит большое количество мельчайших пор и трещин, в которых реализуется процесс увлажнения угольного пласта за счет сил самодвижения - в частности происходит капиллярное увлажнение пласта. При наличие необходимого времени в пласте осуществляется проникновение рабочей жидкости в эти мельчайшие поры и трещины и блокирование в них молекул метана, что приводит к существенному увеличению остаточной газоносности. А это крайне важный фактор, т.к., как это было показано выше, до 5 м3/т остаются в угле и не вносят свой вклад в газообильность горных выработок.

Второй существенный фактор - замещение водой как более сильным сорбентом в сорбционном объеме метана и оттеснение его за зону обработки.

Третий фактор может реализоваться в случае применения комплексной дегазации за счет увеличения дебитов подземных пластовых скважин в зонах ГРП, где раскрыты дополнительные системы трещин, уже освобожденные от воды и увеличивающие фазовую проницаемость пласта для метана (эта технология широко применяется в Караганде).

Четвертый возможный фактор - дополнительное использование скважин ГРП в качестве куполовых, при этом они по эффективности не уступают последним (технология широко применяется в Донбассе и начала применяться в Караганде).

Выбросоопасность угольного пласта в зона заблаговременной дегазационной подготовки с использованием пневмогидроди-намических воздействий, в частности гидрорасчленения угольного пласта, проведенного без освоения и извлечения метана также существенно снижается за счет того, что длительное увлажнение снижает объемную прочность и увеличивает пластические свойст-

ва пласта, что в свою очередь ведет к снижению общего количества накапливаемой упругой энергии, реализуемой при выбросе.

Рассмотренная технология широко применяется в последние годы в Карагандинском угольном бассейне на полях шахт им. Ленина, «Казахстанская»

(Карагандинский угольный бассейн).

В настоящее время рассматривается вопрос о реализации одной из указанных технологических схем заблаговременной дегазации высокогазоносных пластов скважинами с поверхности на поле объединенной шахты «Воркута» в Печорском угольном бассейне.

Рекомендуемая технология вошла в разработанное в 2006 г. МГГУ отраслевое руководство по заблаговременной дегазационной подготовки высокогазоносных угольных пластов к безопасной и эффективной отработке, согласованное в установленном порядке с Ростехнадзором и в «Методические указания по заблаговременной дегазационной подготовки высокогазоносных угольных пластов к безопасной и эффективной отработке», согласованные в установленном порядке в Карагандинским округом для широкого применения на территории Казахстана.

---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пучков Л.А., Сластунов С.В., Коликов К.С. Извлечение метана из угольных пластов. - М.: Изд-во МГГУ. 2002. - 383 с.

2. Управление свойствами и состоянием угольных пластов с целью борьбы с основными опасностями в шахтах /Ржевский В.В., Братченко Б.Ф., Бурчаков А.С., Ножкин Н.В. - М.: Недра. 1984. - 327 с.

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

Сластунов Сергей Викторович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Инженерная защита окружающей среды» Московский государственный горный университет,

Кашапов Каниф Сергеевич - кандидат технических наук, технический директор угольного департамента АО «Миттал Стил Темиртау»,

Задавин Геннадий Дмитриевич - горный инженер, генеральный директор ОАО «Воркутауголь».