Современное состояние буровой техники для подземной дегазации угольных шахт

УДК 622.817:622.24

В.Н. Плотников

ЗАО ННПП «Сибгормаш»

Современное состояние буровой техники для подземной дегазации угольных шахт

Изложены особенности и возможности различных типов буровой техники и преимущества длинных скважин направленного бурения для подземной дегазации угольных пластов

В настоящее время глубина ведения горных работ на шахтах, отрабатывающих угольные пласты с ценными марками коксующихся углей, постепенно увеличивается, что сопровождается увеличением природной газоносности, ростом напряженного состояния массива горных пород и изменением прочностных свойств угольных пластов по простиранию.

В Кузбассе, по данным НЦ ВостНИИ, до 2003 г. произошел 191 выброс угля и газа, при этом установлено, что в зонах влияния разрывных нарушений наблюдается высокая газоносность и высокое давление газа, так как здесь практически отсутствует его дренаж. Наиболее газоносными являются замки складок.

По мнению российских ученых, занимающихся исследованиями по предварительной дегазации угольных месторождений Кузбасса, шахтный метан по физико-химическим свойствам сходен с эталонным газом российских газоконденсатных месторождений. Естественно, при низкой стоимости голубого топлива в советское время идею использования шахтного метана в промышленных целях считали нерациональной. В то же время метан представляет серьезную опасность при разработке угольных месторождений, что доказали трагедии последних лет, и загрязняет окружающую среду.

Ресурсы шахтного метана в нашем регионе, по оценкам ученых, составляют 60 трлн. м . Подсчитано, что до 15 млн. м3 газа можно добыть на одном километре выработок газоносных шахт. В среднем угольная шахта выбрасывает в атмосферу с вентиляционной струей более 30 тыс. м3/сут газа.

На большинстве шахт Кузбасса используется система подготовки с одной участковой воздухоподающей выработкой, следствием чего является высокое сопротивление движению вентиляционной струи, в том числе из-за малой площади поперечного сечения воздухоподающих выработок. Проблема еще больше усугубляется из-за того, что эти же выработки используются для доставки и складирования оборудования и материалов, а также из-за деформации крепи под дей-

ствием горного давления, что связано с еще большим сокращением площади сечения выработок. Обычно шахта отрабатывает несколько пластов с использованием вертикальных или наклонных стволов, пройденных с поверхности. С увеличением глубины пласты и вмещающие породы содержат все больше метана, который выделяется в процессе горных работ. Очистные работы приходится приостанавливать, чтобы дать время на разжижение газа воздушной струёй и его устранение из зоны горных работ. Такое положение представляет серьезную угрозу безопасности труда, так как могут образовываться скопления метана, являющиеся причиной возгораний и взрывов, а следовательно травматизма и гибели людей. Кроме того, возможности высокопроизводительных очистных комплексов в таких условиях не используются и наполовину.

Для уменьшения опасности скопления метана применяют дегазационные скважины по падению, простиранию или вкрест простирания пласта, пробуренные из подземных горных выработок, что позволяет извлечь метан из угольного пласта и вмещающих пород до начала работ. Имеющееся оборудование позволяет бурить скважины длиной около 250 м. К таким скважинам подсоединяется трубопровод, по которому газ доставляется на поверхность.

Наиболее эффективным методом дегазации является бурение вертикальных скважин с поверхности, однако практическое применение этого метода пока невозможно из-за большой глубины залегания угольных пластов, отсутствия современного бурового оборудования, а также по причинам финансового характера.

Советскими и российскими учеными и конструкторами разработаны различные конструкции буровой техники для бурения дегазационных, газодренажных, водоспускных, увлажнительных и других технологических скважин из подземных горных выработок. Всего было проанализировано более 50 конструкций буровой техники. Однако, как показал практический опыт, для успешной их работы в шахтных условиях буровые установки должны не только достаточно эффективно обеспечивать дегазацию шахт, но и обладать небольшими габаритами, малой массой, отвечать требованиям правил безопасности бурения скважин в угольных шахтах. Из всего многообразия конструкций отечественной буровой техники этим требованиям отвечают буровые станки СБУ200М производства ОАО ННПП «Сибгормаш» (г. Новосибирск).

На Украине специалистами ОАО "Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт горного машиностроения с опытным заводом" (г. Кривой Рог), Института технической механики НАН Украины (г. Днепропетровск) и ЗАО "Новокраматорский машиностроительный завод" сконструирована передвижная установка для бурения дегазационных скважин (УБДС). Она позволяет не только достаточно эффективно проводить дегазацию шахт, но и утилизировать добытый природный газ в промышленных и бытовых целях.

Германские буровые установки фирмы Deilmann-Haniel имеют следующие преимущества:

- универсальное и простое в использовании установочное приспособление;

- надежную раму податчика;

- современную гидравлическую систему.

В США разработана система направленного бурения горизонтальных скважин длиной более 1000 м, позволяющая с большой точностью определять и направлять траекторию бурения по всей ее протяженности. Такая система включает в себя буровой станок для бурения длинных скважин и электрогидробур, обеспечивающий возможность регулирования направления бурения и определения точного местонахождения бурильного инструмента.

Рисунок 1 - Станок буровой универсальный СБУ-200М, производитель ЗАО ННПП «Сибгормаш»

Оборудование системы направленного бурения длинных горизонтальных скважин для дегазации пластов обычно монтируется в специально подготовленной для этого камере, расположенной на штреке. Из этой камеры бурят 3-5 скважин длиной до 1000 м вдоль панели с интервалом около 50 м на расстоянии около 35-40 м выше рабочего пласта. Скважины бурят таким образом, чтобы они оставались в пределах мощности вышезалегающего пласта-спутника, насыщенного метаном. Все скважины подсоединяются к системе газопровода. Бурение заканчивается до монтажа лавного оборудования и соответственно до начала очистных работ.

При приближении лавы к скважинам происходит растрескивание вышезалегающих пород (и пласта-спутника), вследствие чего в скважину поступает метан, который и извлекается из шахты средствами системы шахтной дегазации. После прохождения лавы разрушается только часть ствола скважины, отрезок, расположенный над выработанным пространством, в то время как за забойной частью скважина остается неповрежденной и продолжает принимать газ.

Таким образом, увеличивая с помощью буровой техники длину скважин до 1000 м по падению, простиранию и вкрест простирания пласта, можно решить проблему продолжительности срока службы скважин, из которых можно извлекать метан в течение всего периода отработки панели.