Опыт, проблемы и перспективы дегазации углепородных массивов

2. Коликов К.С. Повышение безопасности разработки угольных месторождений и комплексное освоение их ресурсов на основе заблаговременного извлечения метана. Дисс. д.т.н. — М.: МГГУ. 2002. — 305 с.

3. Георгиев Г.Д. Особенности нестационарной фильтрации газа в трещиновато-пористых коллекторах: Дисс. канд. техн. наук. — М., 1966.

4. Сысенко В.А. Снижение выбросов парниковых газов при разработке углегазовых месторождений на основе совершенствования технологии гидрорасчленения угольных пластов. Дисс. канд. техн. наук. — М.: МГГУ, 2005. — 164 с.

УДК 622.324.5 © С.В. Сластунов, К.С. Коликов,

Ю.М. Иванов, Е.В. Мазаник, 2011

ОПЫТ, ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ДЕГАЗАЦИИ УГЛЕПОРОДНЫХ МАССИВОВ

Рассмотрен опыт промышленной дегазации углепородных массивов и выделены перспективные направления с учетом тенденций развития угольной отрасли. Дегазация является не только основой обеспечения метано-безопасности, но и эффективного использования угольного метана. Ключевые слова: угледобыча, метанобезопасность, вентиляция, нагрузки, дегазация, способы, анализ эффективности, перспективы, утилизация.

Перспективы угольной отрасли связаны с достижением нагрузок на лаву 10000 т/сут и значительно более (20—25 тыс.т/сут — например, шахты «Котинская», им. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс»), что позволяет применяемая техника и технология добычи. Однако в этом случае резко обостряются проблемы воспроизводства фронта очистных работ и безопасности, т.к. практически исчерпаны возможности вентиляции. Обостряются и вопросы экологии, одним из которых является выбросы метана в атмосферу. Все это требует перехода на качественно новый уровень ведения работ по дегазации угольных шахт и утилизации извлекаемого метана.

Первые сведения о дегазации суфлярных выделений относятся к XVII в. (Китай) и XVIII в. (Англия). В нашей стране

научные основы управления газовыделением заложены рабо-тами1900—1917 гг. А. А. Скочинского («Рудничный воздух и основной закон движения его по рудничным выработкам», 1904), М.М. Протодьяконова, А.С. Попова (Решение задачи о вентиляционном сопротивлении диагонально разветвленных выработок различными способами) и Н.Н. Черницына («Рудничный газ»).

Первые опыты по изучению газовыделения и борьбе с газом в нашей стране связаны с Н.Н. Черницыным. Основные принципы решения проблемы управления газовыделением сформулированы А.А. Скочинским (1925 г.). Первые промышленные опыты по дегазации угольных пластов начаты в 1948 г. в Кузбассе на шахте Коксовая-1. Первые дегазационные установки были запущены в эксплуатацию там же на шахтах Северная и Коксовая-1 в 1951 г. В следующем году на шахте № 17 в Карагандинском бассейне и шахте № 1 «Красная Звезда» в Донбассе. К 1959 г. дегазация осуществлялась уже на 29 шахтах Донбасса, 5 — Кузбасса, 9 — Караганды и одной шахте Воркуты. Основной целью дегазации, как прежде, так и сейчас, является обеспечение безопасных условий ведения горных работ — предотвращение взрывов в шахтах. Уже в это время высказывалась мысль о необходимости разработки угольных месторождений как комплексных месторождений угля и газа [1].

Рост нагрузок и углубление горных работ привели к необходимости дегазации разнородных источников газовыделения: непосредственно разрабатываемого пласта, под- и надрабаты-ваемых угольных пластов-спутников, вмещающих пород и выработанного пространства, и в последующем, как следствие, развитию комплексных схем дегазации.

К 1985 — 1990 гг. выделение метана в угольных шахтах достигло такого уровня, что возможности его удаления средствами вентиляции в 70-75 % шахт были исчерпаны [2]. В эти годы объем выделения метана в угольных бассейнах нашей страны достиг максимума, после чего стал сокращаться в результате закрытия ряда высокометанообильных шахт и снижения подземной угледобычи.

В 1988—1990 г.г. в нашей стране объем добычи угля по сравнению с 1940г. увеличился в 2,6—2,8 раза, а газовыделение более чем в 20 раз. Доля шахт третьей категории и сверхкате-горных превысила 65 %, а объем их добычи — 73 % от общего.

Анализ опыта работы показал, что на газовых шахтах капиталовложения на 1 т добычи угля на 25—30 % выше, себестоимость в 1,5—2,5 раза больше, нагрузки на очистной забой и производительность рабочего ниже соответственно на 4060 % и 25—28 %, чем в аналогичных условиях, но в негазовых шахтах [3].

Современная техника и технология добычи угля позволяют обеспечить нагрузку на лаву на уровне 10000 т/сут и более, однако с учетом возможностей вентиляции такая производительность достижима только при газоносности угольных пластов не более 6—9 м3/т. В настоящее время около 25 % шахт имеют абсолютную газообильность более 50 м3/мин, более половины шахт отнесены к сверхкатегорным и опасным по внезапным выбросам угля и газа [2].

По времени проведения дегазации все методы можно разделить на: заблаговременную — проводимую в отсутствии каких-либо горных работ; предварительную — проводимую из горных выработок горизонта, блока, столба и т.д. на участках, подлежащих в будущем отработке; опережающую — проводимую из действующих горных выработок в зоне влияния лавы, совместную — проводимую совместно с ведением горных работ; последующую — проводимую за фронтом горных работ [4]. Разделение двух последних достаточно условно и часто их объединяют в одну категорию — текущей дегазации. Первые две осуществляются в условиях неразгруженного угольного пласта, две последние — после разгрузки углепородного массива, которая обеспечивает повышение проницаемости на 3—4 порядка. Это во многом определяет параметры извлекаемого газа, основные проблемы и перспективы развития способов.

Для заблаговременной дегазации характерно извлечение газа природного состава, т.е. концентрация метана составляет

95—98 %. Данный способ применялся на ряде шахт Донецкого и Карагандинского бассейнов. В настоящее время используется только в Карагандинском бассейне. Основным препятствием на пути широкого применения данного способа является необходимость долгосрочных вложений, которые определяются сроком освоения скважин, достигающим 5—8 лет.

Эффективность предварительной дегазации определяется газопроницаемостью угольных пластов, сеткой заложения скважин и продолжительностью их эксплуатации. Потенциально при данном способе возможно извлечение газа с высоким содержанием метана, однако часто из-за плохой герметизации скважин и дегазационного става концентрация метана изменяется в широких пределах. Количество извлекаемого метана при применении данного способа с увеличением глубины залегания пластов возрастает, однако это происходит не за счет расширения области его применения, а вследствие увеличения плотности бурения скважин и вовлечения в разработку запасов угля с соответствующими условиями. Доля метана, извлекаемого этим способом, постоянно снижается и сейчас не превышает 6 %. Даже применение пересекающихся скважин не обеспечивает необходимой степени дегазации. Для повышения эффективности дегазации испытывались и применялись различные способы интенсификации газовыделения: подземный гидроразрыв, торпедирование, физико-химическое воздействие и др. из-за низкой эффективности и нетехнологично-сти они в настоящее время не используются.

Одна из основных проблем применения предварительной дегазации заключается в необходимости функционирования скважин не менее 6 месяцев (по требованиям нормативных документов). В условиях, когда темпы очистных работ, как правило, значительно превышают темпы подготовительных выполнение данного требования представляется проблематичным.

Опережающая дегазация использует эффект повышения газовыделения в зоне влияния очистного забоя. Данный способ применяется весьма ограниченно и с увеличением темпов очистных работ его эффективность снижается.

В настоящее время основное количество метана извлекается способами текущей дегазации, использующих эффект разгрузки углепородного массива. Широко применяется дегазация угольных пластов-спутников скважинами, пробуренными из горных выработок. Наиболее успешно этот способ применяется на шахтах Воркутинского бассейна и обеспечивает эффективность до 60 % [5]. Бурение этих скважин осуществляется с конвейерного штрека после посадки основной кровли. Параметры заложения определяются свойствами и структурой вмещающих пород, основным является мощность междупла-стья. Одним из основных недостатков данного способа является то, что для сохранности скважин их бурение осуществляют после прохода лавы, приводящее к отставанию дегазационных работ от очистных. Следовательно, с увеличением нагрузок эффективность способа будет снижаться.

В Кузбассе и Караганде широко используется дегазация вертикальными скважинами с поверхности. Способ обеспечивает разделение дегазационных и очистных работ в пространстве, но имеет весьма серьезный недостаток: хотя выделение из вертикальных скважин большое, влияние их на газовыделение в выработки относительно невелико. Это объясняется тем, что значительную долю извлекаемого ими метана составляет метан, выделяющийся из пластов, пропластков и слоев пород, удаленных от разрабатываемого пласта. В обычных условиях метан из указанных источников не проникает в выработанное пространство или выделяется в небольших количествах. Вертикальные скважины увеличивают извлечение метана из подработанных пластов и пород в 1,5—2 раза, т.е. являются не столько дегазирующими, сколько метанодобывающими. Другой недостаток способа — высокая стоимость пробуренных с поверхности вертикальных скважин, которая существенно зависит от ее диаметра.

Эффективность работы скважин во многом определяется правильным выбором параметров их заложения (расстояние от забоя скважины до вентиляционного штрека, расстояние между скважинами, величина рабочей зоны скважины) и режимом работы (разрежение на устье скважины). При этом в результате

наличия связи с атмосферой горных выработок концентрация метана изменяется в процессе эксплуатации в весьма широких пределах. С увеличением глубины продолжительность работы этих скважин и объем извлечения снижаются в результате более быстрого восстановления горного давления, повышается их аварийность в результате срезания при подработке. Перспективы данного способа связаны с переходом на использование скважин сложного профиля [6], рабочая часть которых располагается непосредственно за границей зоны полных сдвижений боковых пород и по касательной к направлению перемещения разрушенных блоков, но в пределах зоны разгрузки.

В последнее время все большее распространение получают схемы, предусматривающие использование газодренажных выработок по разгружаемому пласту или газоносным породам. Однако параметры извлекаемой метановоздушной смеси изменяются в широких диапазонах. Эффективное использование способа во многом определяется составом вмещающих пород напряженно-деформированным состоянием углепородного массива.

Дегазация барьерными скважинами осуществляется для снижения газообильности подготовительных выработок. Концентрация метана в извлекаемом этими скважинами газе, как правило, составляет 2—10 %, что определяет низкую эффективность способа и его ограниченное применение.

Следует отметить, что на шахтах Кузбасса широко используются комбинированные схемы управления газовыделением, когда кроме вентиляции применяется газоотсос. Основным недостатком этой схемы является большая вероятность извлечения метановоздушной смеси со взрывоопасной концентрацией метана.

В условиях высокопроизводительных лав при большой скорости подвигания очистных забоев значительно сокращается возможность применения обычных схем предварительной дегазации из-за уменьшения интервала между окончанием подготовки выемочного столба и началом очистных работ. Это сокращает период активной работы дегазационных скважин.

Значительно повысить эффективность пластовой дегазации удалось при комплексном способе, когда пластовые сква-

жины были использованы в зонах гидрорасчленения. Рост газовыделения в скважины при этом составил 3 -7, а концентрация метана изменилась от 21 до 90 % и среднем составляла 48 %, что выше, чем у обычных пластовых.

В последнее время все большее внимание уделяется вопросам использования извлекаемого газа. Перспективы значительного расширения использования шахтного метана требует оценки способов дегазации, как источников газа. Для практического его применения необходима полная информация о параметрах извлекаемых метановоздушных смесей различными способами дегазации. Известная в настоящее время информация позволяет оценивать эффективность дегазации, но не надежность дегазационных сетей по газообеспечению.

Следует отметить, что на практике часто наблюдается значительное повышение доли кондиционного газа в случае перехода к утилизации. Определяется это тем, что без утилизации определяющим является только один критерий — газо-обильность участка и, следовательно, максимальный съем газа средствами дегазации:

X^ max.

При утилизации концентрация метана должна быть не менее 25 %, т. е. добавляется еще один критерий оценки функционирования дегазационной сети.

Большое влияние на компонентный состав смеси оказывает качество выполнения дегазационных работ. Устранение подсосов по ставу, достигающих 60—70 %, позволяет значительно повысить концентрацию метана. Отключение отдельных элементов с низкой концентрацией метана, как правило, практически не влияет на суммарный съем, но существенно повышает концентрацию метана.

Характерная черта современной дегазации — рост газо-выделения, с одной стороны, а с другой — усложнение условий применения и снижение эффективности способов дегазации. Так, увеличение глубины разработки с 300—400 до 600—800 м снизило эффективность предварительной дега-

зации пластов в Карагандинском и Донецком бассейнах в 1,5—2 раза.

Следует особо отметить, что извлечение и использование метана не поставлено на коммерческую основу и в целом ряде случаев, при ограничениях по вентиляции, дегазация используется для выноса метановоздушной смеси с концентрацией 0,5— 20 %, что сокращает расширение области его прямого сжигания.

Теплотворная способность угольного метана и природного газа практически одинакова. Эти газы взаимно заменяемы в качестве как химического сырья, так и источников энергии. С учетом того, что уголь является природным сорбентом, угольный метан имеет более высокое качество (например, в нем практически отсутствует сера). У метановоздушной смеси теплотворная способность изменяется в очень широких пределах и практически определяется процентным содержанием метана.

Шахтный метан используют уже около 50 лет. В развитых угледобывающих странах, таких как США, Германия, Великобритания, Франция, Австралия и др. тем или иным способом утилизируется до 50 % метана, извлекаемого средствами дегазации. В отдельных бассейнах доля используемого метана достигает 80 и более процентов от каптируемого.

В странах СНГ основным способом утилизации шахтного метана является его сжигание в шахтных котельных. Следует отметить, что шахтные котельные имеют сезонный характер работы и максимальная нагрузка приходится на зимний период года. Перспективы утилизации шахтного метана на наш взгляд во многом связаны с решением вопросов сбора и подготовки газа, развитием малой химии и совершенствованием экономического стимулирования данного направления.

Критический анализ способов дегазации с учетом требований утилизации и перспективный анализ способов извлечения метана с увеличением глубины разработки позволяют научно обоснованно подойти к конструированию технологических схем извлечения кондиционного метана.

В таблице приведены способы дегазации, обеспечивающие извлечение кондиционной смеси, и перспективные с углублением горных работ способы.

61

Направления утилизации шахтных метановоздушных смесей

Сравнение способов дегазации по кондиционности смеси и перспективным направлениям с глубиной

Способы, обеспечивающие извлечение кондиционной смеси Перспективные способы, применяемые с углублением горных работ

Пластовые скважины Пластовые скважины в зонах гидродинамического воздействия Подземные скважины на спутники, использующие эффект разгрузки Скважины, пробуренные через междупластье, с активным воздействием и в зонах расчленения Вертикальные скважины, пробуренные в над- и подработанный массив Скважины гидрорасчленения Пластовые скважины в зонах гидродинамического воздействия Подземные скважины на спутники, использующие эффект разгрузки Скважины, пробуренные через междупластье, с активным воздействием и в зонах расчленения Направленные скважины Скважины гидрорасчленения с закреплением системы трещин

При анализе таблицы видно, что большинство способов, обеспечивающих извлечение кондиционной смеси, перспективны также с ростом глубины разработки. Основой этих способов является искусственное повышение проницаемости пласта. Для увязки технологических схем извлечения кондиционной смеси с программой развития горных работ классификационным признаком можно считать степень разгруженности пласта от горного давления и необходимый срок дегазационной подготовки шахтного поля или его части.

Таким образом, в современных условиях особый интерес представляют те способы дегазации, которые обеспечивают и высокую эффективность дегазации и извлечение газа с высокой концентрацией метана.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лидин Г.Д. Каптаж метана в угольных шахтах / Дегазация угольных пластов. Труды всесоюзного НТС по дегазации угольных пластов. Государственное науч.-техн. изд-во литературы по горному делу. — М., 1961. — С. 5—23.

2. Малышев Ю.Н., Трубецкой К.Н., Айруни А. Т. Фундаментально прикладные методы решения проблемы метана угольных пластов. — М.: Изд-во АГН, 2000. — 519 с.

3. Айруни А. Т. Теория и практика борьбы с рудничными газами на больших глубинах. — М.: Недра, 1981. — 332 с.

4. Ножкин Н.В. Заблаговременная дегазация угольных месторождений. Дисс. на соис. уч. степ. докт. техн. наук. — М.: МГИ, 1971. — 453 с.

5. Разработать и внедрить способы и средства повышения эффективности газоуправления средствами дегазации и проветривания для высокопроизводительных выемочных участков. Отчет о НИР. ПечорНИИПроект. — Воркута, 1991. — 302с.

6. Ярунин С.А., Диколенко Е.Я., Пережилов А.Е., Лукаш А.С. Технология гидродинамического воздействия на газовыбросоопасный углепородный массив через скважины с профилем пространственного типа. — М.: ПолиМЕдиа, 1996. — 430 с.

СОДЕРЖАНИЕ

Коликов К.С., Лупий М.Г., Волков М.А.

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОМПЛЕКСНОЙ

ДЕГАЗАЦИИ РАЗРАБАТЫВАЕМОГО ПЛАСТА.................5

Сластунов С.В., Коликов К.С., Иванов Ю.М., Мазаник Е.В.

ОПЫТ, ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ДЕГАЗАЦИИ УГЛЕПОРОДНЫХ МАССИВОВ .......................... 11

CONTENT

Коликов К.С., Лупий М.Г., Волков М.А.

SUBSTANTIATION OF COMBINED DEGASIFICATION

PARAMETERS FOR MINED BED......................................5

This paper examines the problem of combined degasification parameters optimization for mined bed at zones with hydrodynamic effect on basis of the model of gas filtration in block-fractured medium. The parameters for combined degasification are defined for “Kotinskaya” mine conditions (“SUEK-Kuzbass” Public corporation).

Keywords: combined degasification, permeability, hydraulic fracturing, gas emission, block-fractured medium, gas extraction, wells, optimization.