Оценка эффективности способов дегазации по фактору метанообильности выемочного участка

УДК 622.454.3

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СПОСОБОВ ДЕГАЗАЦИИ ПО ФАКТОРУ МЕТАНООБИЛЬНОСТИ ВЫЕМОЧНОГО УЧАСТКА

Представлен анализ способов дегазации разрабатываемого пласта и выработанного пространства для условий выемочного участка Чертинского месторождения Кузбасса.

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

Ключевые слова: ВЫЕМОЧНЫЙ УЧАСТОК, МЕТАНООБИЛЬНОСТЬ, УПРАВЛЕНИЕ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕМ, ДЕГАЗАЦИЯ

Е

.Н. Козырева

:анд. техн. наук, ведущий научный сотрудник Ин-титута угля СО РАН

Постановка задачи

Снижение газовой аварийности на шахтах Кузбасса достигается двумя основными способами изолированного отвода метановоздушной смеси из зоны ведения горных работ. Первый из них -изолированный отвод газа на действующих выемочных участках через дренажные выработки и скважины с помощью специальных всасывающих вентиляторов. С ростом скоростей подвига-ния очистных забоев технические возможности этого способа достигают своего предела. Его несомненная эффективность при нагрузке на очистной забой до 1,5 тыс. тонн угля в сутки становится весьма проблематичной с приближением к потенциально рентабельной среднесуточной добыче с выемочного участка 3-5 тыс. тонн угля. Это выражается в необходимости увеличения расходов воздуха через выработанное пространство и, как следствие, затрат на строительство и эксплуатацию газоотводящей системы, что провоцирует эндогенную пожароопасность.

Второй способ - дегазация разрабатываемых угольных пластов, сближенных подрабатываемых и надрабатываемых пластов угля, газо-содержащих пород и выработанных пространств скважинами с помощью вакуум-насосов и систем трубопроводов.

При сопоставлении работы шахт Кузбасса

с мировым опытом ведения горных работ можно заметить, что они продолжают лидировать в применении комбинированной схемы управления газовыделением на выемочных участках. Вероятно, это связано с наименьшими по сравнению с дегазацией затратами на выполнение, несмотря на главный ее недостаток - наличие в вентилируемом выработанном пространстве концентрации метановоздушной смеси, близкой к порогу взрываемости. По этой причине расширение области применения различных вариантов дегазации остается вполне актуальным. Однако, учитывая большие затраты финансовых средств, времени и объемы работ на проведение дегазации, для конкретных горно-технологических условий необходимо оптимизировать решение соответствующих инженерных задач. При любых значениях метанообильности выемочного участка необходимо находить такое сочетание количества подаваемого на участок воздуха, сечения выработок, мощности вентиляторов, диаметра дегазационных скважин и трубопровода, при котором выполняются требования безопасности.

В Институте угля (ИУ) СО РАН разработаны и апробированы методы комплексного прогноза метанообильности и уточнения технологических решений по управлению газовыделением на высокопроизводительных выемочных участ-

ках угольных шахт Кузбасса, применение которых позволяет успешно решать поставленную задачу. Как показали исследования [1-3], интенсивные газовые потоки, регистрируемые непрерывно действующей системой газового мониторинга шахты, несут информацию об изменениях свойств и состояний миллионов тонн горных пород, анализ которой выходит за рамки возможностей традиционных методов геомеханики. Изучение газокинетических процессов в очистных и подготовительных забоях угольных шахт на основе методов нелинейной геомеханики выявило [4-6] лишь первое приближение к реальности их общепринятых квазистатических моделей. Фактическая динамика газовыделения обладает явно выраженной волнообразностью с четко обозначенными периодами и амплитудой, связанными с процессами разгрузки и сдвижения вмещающих пород. Доказано, что максимумы газопритоков на выемочный участок соответствуют максимумам зон сдвижений. Установленные особенности позволяют оптимизировать схемы и параметры дегазации, ориентируя их на снижение газопритоков в зону аэрогазового обмена: забой - выработанное пространство.

Объект исследования

Приведем пример оценки эффективности способов дегазации по фактору метанообильно-сти для горно-технологических условий выемочного участка № 569 Чертинского месторождения Кузбасса (рис. 1). Треугольниками обозначены геологоразведочные скважины, штриховкой -ранее отработанные лавы.

Рисунок 1 - Схема расположения выемочных участков по пласту 5 на Чертинском месторождении

Высокая газоносность угольных пластов данного участка месторождения, его опасность по внезапным выбросам угля и газа и ограничение допускаемой концентрации метана в выработанном пространстве (до 3,5 %) при комбинированной схеме проветривания обусловили уточнение проектных показателей комплексной схемы управления газовыделением. Длина выемочного столба составляет 1 900 м, длина лавы со штреками - 175 м, отрабатывается пласт 5 мощностью 2 м. В пределах рассматриваемого выемочного участка глубина залегания пласта 5 изменяется от 320 до 420 м, а его природная газоносность от 21 до 24 м3/т с.б.м. Кровля средней обрушаемости. Предварительно отработан вышележащий пласт 3, мощность междупластья 3 и 5 пластов - около 120 м. Между ними залегает наиболее выбросоопасный пласт 4. Согласно нормативному методу допустимая по газовому фактору нагрузка на очистной забой составляет 2 150 тонн угля в сутки.

Учет порядка отработки выемочных столбов на выемочном поле позволил установить, что на значительной протяженности рассматриваемого столба вышележащие и нижележащие столбы (№ 567 и 563) были уже отработаны. Лава № 569 отрабатывается по безцеликовой схеме. Особенности влияния этих горно-технологических условий характеризует опыт отработки выемочного столба № 571 на интервале от монтажной камеры до 600 м, на котором соседние выемочные столбы 573 и 567 были ранее отработаны. Анализ этого опыта показал, что динамика метанообильности участка соответствовала проектной до 0,25 длины первого шага сдвижения подрабатываемого массива горных пород, т. е. около 120 м. При дальнейшей выемке столба № 571 основная опора массива пород по падению пласта общей протяженностью 620 м над лавами № 573, 571 и 567 была вынута. Зоны над этими столбами начали взаимодействовать, тем самым границы влияния выработанных пространств над ранее отработанными лавами развились до значительных размеров (до 3 длин лав). Как следствие, метанообиль-ность выемочного участка № 571 значительно превысила проектные показатели, а сохранить аэродинамический канал в этих масштабах сдвижений оказалось невозможным. В итоге потребовались дополнительные и трудоемкие мероприятия по нормализации газовой обстановки в очистном забое с его длительной остановкой.

Особенность горно-геологических условий такова, что по оси выемочного столба № 569 на расстоянии от 1 200 м до уклона угол падения

91

пласта больше 10о, и в этих условиях обязательно применение восходящей схемы проветривания, хотя нагрузка при этом, как показывают соответствующие расчеты, снижается на 300 т/ сут. В связи с этим, для рассматриваемого выемочного участка применима переменная схема проветривания: нисходящее проветривание на интервале 0-1200 м, а восходящее при доработке столба. Технологическую возможность такой комбинации обеспечивает целик по пласту 5 у выработанного пространства проектируемой лавы на интервале смены схем. Более того, применение нисходящей схемы проветривания обусловлено и тем, что в этом случае аэродинамический канал располагается у нижнего целика с высокой несущей способностью. Если же и здесь применить восходящее проветривание, то указанный канал придется располагать у границы старого выработанного пространства нижележащей (по падению пласта) лавы № 567. Как показал опыт ведения горных работ, сохранение аэродинамического канала в этих условиях более чем на один шаг полных сдвижений (400-450 м) невозможно. Дополнительным удобством смены направлений движения воздуха по забою является расположение геологического нарушения на расстоянии 1 250 м от монтажной камеры по конвейерному штреку и 1 470 м - по вентиляционному. Прекращение поддержки канала по конвейерному штреку, приводит к достаточно быстрому его перекрытию в нарушенной зоне, а формирование канала у вентиляционного штрека несколько ранее создает более надежные условия для его поддержания в ненарушенной зоне. Изменение направления проветривания забоя позволит использовать преимущества каждой из схем и, как показали расчеты, обеспечить по интервалам выемочного столба максимально допускаемую на очистной забой нагрузку, близкую проектной. При этом средняя расчетная нагрузка на забой составит Аср = 2025 т/сут. (рис. 2).

Оценка эффективности способов дегазации

С учетом выявленной значительной изменчивости природных свойств горного блока по его площади и глубине (неравномерности природной газоносности и мощности угольных пластов, мощности междупластья и др.), наличия целиков по вышележащему пласту, а также установленной ранее зависимости динамики газопритока на выемочный участок от нелинейного развития зон разгрузки горных пород рассчитана абсолютная метанообильность выемочного участка (рис. 3).

Рисунок 2 - График нагрузки А на очистной забой при переменной схеме проветривания по длине выемочного столба L

Рисунок 3 - Расчетная абсолютная метанообильность I выемочного участка по длине выемочного столба L

в

1 - надрабатываемые пласты; 2 - разрабатываемый пласт; 3 - подрабатываемые пласты; 4 - подрабатываемые пласты; 5 - выработанное пространство

Расчеты показали, что основными источниками газовыделения для рассматриваемых условий являются: отрабатываемый пласт (18 % от общей метанообильности участка) и подрабатываемые пласты (80 %). Незначительная доля (до 2 %) газовыделения приходится на надрабатываемые пласты.

Учет порядка отработки пластов в свите позволил рассчитать, что предварительная отработка пласта 3 привела к уменьшению газоносности сближенных пластов по сравнению с их природными значениями. Кроме того, при совмещении планов горных работ по рабочим пластам 3 и 5 выявлено, что отработка пласта 3 была частичной. В результате по пласту 3 над рассматриваемой лавой остались четыре целика, и на этих интервалах метанообильность участка возросла более чем на 30 % (рис. 3). С точки зрения метановыделения из подрабатываемого массива это наиболее напряженные интервалы отработки выемочного столба.

Выполнен прогноз газовыделения из отрабатываемого пласта по разработанному в ИУ СО РАН методу [6, 7], который основан на экспериментально установленной связи кинетики распада углеметанового геоматериала от его исходного газосодержания (с учетом научного

^^^ ^^^ научно-технический журнал № 1-2014

92 вестник

открытия российских ученых о свойствах угля образовывать с газами однофазные системы по типу твердых растворов). Это повышает точность расчетов газовыделения из отбитого и транспортируемого угля, объясняет известные в горной практике эффекты повышения производительности дегазационных пластовых скважин при приближении к ним очистного забоя и условия перетока метана в выработанное пространство через вмещающие породы из части пласта, расположенной за зоной повышенных напряжений.

Проверка показала, что при расчетной нагрузке (см. рис. 2), а также принятой переменной схеме проветривания с коэффициентом распределения воздуха 0,4 и при коэффициенте дегазации разрабатываемого пласта 0,2, обеспечивается допускаемая концентрация метана в контрольных точках выемочного участка по всей длине выемочного столба.

На этапе проектирования выемочного участка предусмотрено, что при дегазации разрабатываемого пласта метановоздушная смесь поступает из пластовых скважин (270 шт.) по участковому газопроводу, проложенному по конвейерному штреку, далее по уклону и по вертикальной скважине выдается на поверхность. Диаметр трубопровода составляет 0,159 м. Как показали расчеты, при такой схеме пластовой дегазации и большой протяженности газопровода (2 500 м) имеются значительные подсосы воздуха в газопровод, что приводит к разжижению метановоздушной смеси до концентрации метана менее 20 %. Согласно нормативным доку-

ментам концентрация метана в дегазационных трубопроводах должна составлять не менее 25 %. В связи с этим уточнена схема дегазации разрабатываемого пласта (рис. 4). Протяженность магистрального трубопровода ограничивается пробуренной ранее скважиной с поверхности № 1 и дополнительной скважиной с поверхности № 2, которую требуется пробурить в нижележащий целик на расстоянии 1 100 м от монтажной камеры и 40 м от конвейерного штрека. В результате дегазационный трубопровод делится на 2 участка протяженностью 1 140 и 1 340 м с определенным количеством скважин (160 и 110 шт.), что приводит к повышению концентрации метана в трубопроводах до 31 и 36 % соответственно.

Согласно положениям действующих нормативных документов при установленных значениях метанообильности выемочного участка и указанных выше технологических показателях газовая обстановка должна оставаться в допустимых пределах на всем протяжении отработки выемочного столба. Однако проверка показала превышение концентрации допускаемого значения метана в 3,5 % на выходе из выработанного пространства (рис. 5). Расчетами установлено, что необходима и дегазация выработанного пространства через скважины с поверхности. При этом обеспечить нормативную нагрузку на очистной забой, равную 2 150 т/сут., возможно только при их бурении в два ряда по длине выемочного столба.

Так как по фактору метанообильности очистного забоя установлен график переменной максимально допускаемой нагрузки на забой

Рисунок 4 - Схема расположения скважин и участкового газопровода для дегазации разрабатываемого пласта

93

(рис. 2), то для этих условий выполнена проверка концентрации метана в выработанном пространстве при переменной нагрузке (рис. 6).

подрабатываемых пластов 3 (в целики) или 4. Для этого глубина их бурения должна быть на 5 м больше глубины залегания соответствующего

Рисунок 5 - Концентрация метана СВМЦГ на газоотсасывающей вентиляторной установке при применении дегазации разрабатываемого пласта и выработанного пространства по длине выемочного столба Ь при нормативной нагрузке на очистной забой 2 150 т/сут.:1 - только дегазация отрабатываемого пласта; 2 - дегазация выработанного пространства

Результаты расчетов показывают, что для нормализации газовой обстановки при отработке всего выемочного столба, необходимо бурение скважин с поверхности в два ряда с коэффициентом эффективности дегазации каждого ряда 0,6, а их совместных значений 0,84. При этом скважины первого ряда должны выбуриваться на отрабатываемый пласт 5.

Из рисунка 6 видно, что наличие второго ряда скважин приводит к завышению планируемой эффективности дегазации выработанного пространства примерно на 25 %. Оптимизировать такое технологическое решение можно путем ориентирования дегазационных скважин второго ряда только на дегазацию зон влияния

пласта, а места заложения соответствовать точкам пересечения границ сводов сдвижений пород с дегазируемыми пластами.

При ориентировании скважин второго ряда на дегазацию зоны влияния пласта 3 метановы-деление в выработанное пространство снизится: при целиках по пласту 3 на 18 %; при отработанном пласте 3 на 6 %. Эти значения меньше указанных 25 %. Следовательно, скважины второго ряда должны буриться глубже. При ориентировании скважин второго ряда на дегазацию зоны влияния пласта 4 метановыделение в выработанное пространство снизится: при целиках по пласту 3 на 50 %; при отработанном пласте 3 на 54 %. Эти значения больше указанных 25 %.

Рисунок 6 - Максимальная концентрация метана СтахВМЩГ на газоотсасывающей вентиляторной установке с

применением дегазации разрабатываемого пласта и выработанного пространства при переменной нагрузке на

очистной забой по длине выемочного столба Ь

94

Следовательно, скважины второго ряда должны быть ориентированы на зону влияния пласта 4, что обеспечивает требуемую концентрацию на выходе из выработанного пространства не более 3,5 %.

На поверхности на заключительном интервале выемочного столба № 569 расположены жилые дома. И именно здесь соседние лавы отработаны ранее. Эта горнотехнологическая особенность приведет к росту размеров свода сдвижений при доработке выемочного столба. В связи с этим наличие строений на поверхности не только затрудняет соблюдение шага бурения дегазационных скважин, но и создает опасность проникновения метана в здания. По этой причи-

не необходимо минимизировать отклонения от плотности бурения скважин и вести тщательный контроль метана в зданиях.

Заключение

Применение разработанных в ИУ СО РАН методов прогноза газовыделения из основных источников способствует развитию научно-технической основы целенаправленного перехода от типичной для Кузбасса комбинированной схемы проветривания к принятой на большинстве шахт мира и более эффективной (по фактору газовой безопасности) комплексной, включая дегазацию, схеме управления газовыделением на выемочном участке.

DEGASSING METHODS EFFICIENCY EVALUATION BY AN EXTRACTION SITE METHANE INFLOW

FACTOR

Y. N. Kozyreva

The seam under extraction and the gob area degassing methods analysis for the conditions of Kuzbass Chertinsky coalfield extraction site is presented.

The work is done with financial support of interdicipline integration project of SB RASc No. 99, and partnership integration project of SB RASc No. 100.

Key words: EXTRACTION SITE, METHANE INFLOW, GASS EMISSION CONTROL, DEGASSING

Козырева Елена Николаевна e -mail: gas_coal@icc.kemsc.ru

95

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Полевщиков, Г. Я. Влияние процессов разгрузки и сдвижений вмещающих пород на выделение метана из разрабатываемого пласта / Г. Я. Полевщиков, М. В. Шинкевич, Е. Н. Козырева, О. В. Брюзгина // ГИАБ. - 2008. - № 2. - С. 139-143.

2. Шинкевич, М. В. Динамика геомеханических процессов в призабойной части массива при движении длинного очистного забоя / М. В. Шинкевич, Н. В. Рябков, Е. Н. Козырева // ГИАБ. - 2010. - № 3. - С. 356-359.

3. Рябцев, А. А. Подготовка данных о газоносности пластов для электронного картирования / А. А. Рябцев // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2011. - № 2-2. - С. 120-124.

4. Полевщиков, Г. Я. Снижение газодинамической опасности подземных горных работ / Г. Я Полевщиков, Е. Н. Козырева, Т. А. Киряева [ др.] // Уголь. - 2007. - № 11. - С. 13-16.

5. Киряева, Т. А. Влияние энергии распада углеметана на деструкцию частиц угля и развитие внезапных выбросов угля и газа / Т. А. Киряева, А. А. Рябцев, М. С. Плаксин, Р. И. Родин // ГИАБ. - 2009. - Т. 17. - № 12. - С. 148-152.

6. Козырева, Е. Н. Взаимосвязи основных особенностей процессов разгрузки и сдвижения вмещающих пород с динамикой выделения метана из разрабатываемого пласта при его отработке длинными выемочными столбами / Е. Н. Козырева, М. В. Шинкевич // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2006. - № 6. - С. 17-19.

7. Шинкевич, М. В. Газовыделение из отрабатываемого пласта с учётом геомеханических процессов во вмещающем массиве / М. В. Шинкевич // ГИАБ. - 2013. - Отд. вып. № 6. - С. 278-285.