CC BY
112
___________________________________ © В.С. Забурдяев, Е.В. Мазаник,
2009
УДК 622.333:622.8
В. С. Забурдяев, Е.В. Мазаник
МЕТАНООБИЛЬНОСТЬ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ ОЧИСТНЫХ ЗАБОЕВ И СПОСОБЫ ЕЕ СНИЖЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ШАХТ ОАО «СУЭК-КУЗБАСС»
Газодинамические процессы, протекающие в угольных пластах при подземной разработке, существенно связаны с природными свойствами пластов и горнотехническими условиями ведения горных работ. К числу первых отнесено, прежде всего, содержание метана в пластах угля, а ко вторым — производительность очистных забоев. Установлены зависимости метаноносности углей с глубиной залегания и интенсивности метановыделения от суточных нагрузок на лавы.
Ключевые слова: метановыделения, углепородный массив, дегазация, газоносность.
в я роблема обеспечения безопасных условий труда на
А. Л. угольных шахтах за последние годы приобретает все более острый характер. Интенсивная отработка угольных пластов сопровождается обильными метановыделениями в горные выработки, что при нарушении параметров проветривания формирует условия для загази-рования очистных забоев, повышает вероятность воспламенений и взрывов метановоздушной смеси. Вместе с тем содержащийся в угольных месторождениях метан является одним из видов экологически чистых минерально-сырьевых ресурсов. Его целесообразно извлекать из углегазовых месторождений попутно с добычей каменного угля, то есть использовать эффект разгрузки угленосных толщ от горного давления. Это наиболее экономичный способ добычи угольного метана [1].
В последние годы коэффициент извлечения метана из угольных пластов в условиях шахт РФ средствами дегазации не превышает 0,25. В Кузбассе на шахтах с дегазацией он составляет в среднем 0,23-0,26, но имеются предпосылки быть не менее 0,35-0,40. Объемы извлечения метана средствами дегазации на высокопроизводительных добычных участках необходимо повысить в 1,5-1,7 раза по сравнению со средне достигнутыми показателями [1].
Газодинамические процессы, протекающие в угольном пласте, количественно оцениваются интенсивностью выделения метана из
углепородного массива в очистные выработки и скважины. Они существенно связаны с природными свойствами пласта, перераспределением горного давления в углепородном массиве и производительностью очистных забоев. При этом основными факторами, определяющими интенсивность метановыделения из сближенных пластов, являются величина междупластья и скорость движения очистного забоя [2]. Величина интенсивности метановыделения в скважины в зоне природной проницаемости угольного пласта определяется газоотдачей пласта, характеризуемой величиной начального удельного метановыделения и скоростью его снижения во времени. Начальное метановыделение в дегазационные скважины пропорционально начальному метановыделению из пласта в подготовительную выработку и зависит от метаноносности и мощности пласта, а скорость его снижения во времени - от глубины залегания пласта, его мощности и выхода летучих веществ [2, 3].
Эффективность дегазации сближенных пластов скважинами, пробуренными из горных выработок или с земной поверхности, зависит от параметров системы разработки, схемы проветривания выемочного участка и скорости подвигания очистного забоя. Отрицательное влияние высокой скорости подвигания лавы на эффективность дегазации сближенных пластов устраняется числом длительно функционирующих на выемочном участке скважин и научно обоснованными параметрами дегазации.
Для рентабельной работы шахты должны стремиться к рубежу не менее 2-3 млн. т угля из комплексно-механизиро-ванного забоя в течение года, или не менее 10-15 и более тыс. т угля в сутки, что затруднительно на высокометанообильных шахтах, поскольку фактические объемы удельного метановыделения на современных глубинах подземной добычи угля в России составляют в среднем 18,6 м3/т, или 13,3 кг СН/т добытого угля, т.е. в 1,6 раза больше метанового потенциала разрабатываемого пласта. Принудительное извлечение метана из источников его выделения путем использования традиционных способов дегазации разрабатываемых и сближенных угольных пластов снижает метановыделение из первых только на 15-20% , а из вторых - на 40-60%. Но при таких показателях дегазации нагрузки на очистные забои по газовому фактору высокими быть не могут.
Метанообильность выемочных участков в метанообильных шахтах стала достигать 50-70 м3/мин, а на отдельных высокопроиз-
водительных участках - 80-90 м3/мин. В таких условиях основная роль в обеспечении нормативной по газу аэрологической ситуации принадлежит дегазации, способы и параметры которой необходимо совершенствовать как для достижения высоких нагрузок на лавы по газовому фактору, так и для наиболее полного извлечения и использования попутных энергоресурсов - каптируемых метановоздушных смесей в соответствии с положениями РД-15-09-2006.
В призабойном пространстве высокопроизводительной лавы слабо изученными являются показатели процесса метановыделения из разрабатываемых пластов, которые в значительной степени обусловлены газоносностью массива угля, интенсивностью угледобычи в лаве и величиной остаточной газоносности отбитого угля, находящегося в пределах выработок выемочного участка.
В высокопроизводительных лавах выявлены зависимости между интенсивностью метановыделения из разрабатываемого пласта и объемами среднесуточной добычи угля в очистном забое. Исходными явились данные по комплексно-механизиро-ванным забоям (КМЗ) на шахтах Кузбасса с различной угледобычей в разнообразных горнотехнических условиях разработки угольных пластов. При среднесуточной добыче угля в лавах в пределах 6000-26000 тонн (лавы по пластам «Болдыревский», шахта им С.М. Кирова и 52, шахта «Котинская») связь между метановыделением в очистном забое 1оч (м3/мин) и объемами суточной добычи угля А (т/сут) описывается зависимостью
1оч = I А + 1ф , (1)
где 1 - удельное метановыделение, характеризующее прирост объемов метана с каждой добытой тонны угля, м • сут/(т- мин); 1ф -фоновое метановыделение в очистном забое до начала работы комбайна по добыче угля, м3/мин.
В условиях упомянутых высокопроизводительных шахт экспериментально определены зависимости газоносности угольных пластов с глубиной, величины фонового метановыделения 1ф в лавах и количественно оценена роль разрабатываемого пласта в формировании метановых потоков (показатель « 1 ») в процессе работы комбайна по отбойке угля.
К ранее выявленным зависимостям изменения газоносности с глубиной залегания пластов угля в Кузнецком бассейне по экспериментально определенным геологами ее величин на шахтных полях Кондомского, Осиновского, Байдаевского, Томь-Усинского и
Мрасского районов Кузбасса [2] дополнительно уствновлены зависимости Х = f(H) на горных отводах высокопроизводительных шахт им. С.М. Кирова и «Котинская» (ОАО «СУЭК-Кузбасс»).
Эти зависимости метаноносности угольных пластов (Х м3/т с.б.м) с глубиной их залегания от верхней границы метановых газов (Н, м) описываются формулами:
- в условиях шахты им. С.М. Кирова
Х = 0,038 (Н-Н0) (2)
- в условиях пласта 52 на шахте «Котинская»
Х = 0,053 (Н - Н0), (3)
где Н0 - глубина от земной поверхности до верхней границы метановых газов, м.
Увеличение добычи угля и обеспечение безопасных условий труда в шахтах с высокой газообильностью не может быть осуществлено без применения комплекса высокоэффективных способов борьбы с метаном (проветривание горных выработок и дегазация источников метановыделения). Эффективность дегазации в целом по высокопроизводительному участку должна достигать 70-80 %.
Применительно к технологической схеме ведения очистных работ по столбовой системе разработки с погашением выработок за лавой в комплекс способов входят различные способы и схемы дегазации разрабатываемого пласта, сближенных пластов и выработанного пространства. Скважины по разрабатываемым пластам предпочтительно бурить из горных выработок, а на сближенные пласты - из горных выработок и/или с земной поверхности, если глубина горных работ менее 600 м [4].
Эффективность способов комплексной дегазации предопределяется параметрами пробуренных скважин по разрабатываемым пластам и на сближенные пласты в зоны повышенного газовыделе-ния. Смещение относительно линии очистного забоя в сторону выработанного пространства местоположения точки максимума газо-выделения, т.е. смещение в завал от створа лавы проекции точки максимума метановыделения в сближенном пласте на плоскость рабочего пласта (величина хтах), в значительной степени зависит от мощности М междупластья. В интервале величин междупластий 25-60 м при подработке сближенных пластов и 10-30 м при надра-ботке зависимость величины хтах, исчисляемой в метрах, аппроксимируется уравнением
Хтах = Ш + d , (4)
где k и d - эмпирические коэффициенты. Коэффициент k является функцией скорости подвигания лавы Vоч (м/сут) и рассчитывается по формуле
k = D - А ехр(-а Уоч) , (5)
в которой D, А и а - эмпирические коэффициенты, в среднем равные 2,13; 2,4; 0,66 при подработке и 3,48; 3,34; 0,49 при надработке соответственно; Vоч - скорость подвигания очистного забоя, м/сут. Коэффициент d равен 3,3 при подработке угольных пластов и 4,0 -при надработке.
Наиболее продуктивны пробуренные на сближенные пласты скважины, забои которых оказываются в зоне повышенной газоот-дачи с координатами хтах (расстояние от забоя лавы до проекции на рабочий пласт точки максимального газовыделения в дегазируемом сближенном пласте) и утах (расстояние от неподвижной границы уголь-выработанное пространство на участке до проекции на рабочий пласт той же точки), принятыми в соответствии с рекомендациями таблицы 1, где М - величина междупластья [4].
Основные исследования по оценке эффективности дегазации и извлечения газовоздушных смесей с кондиционным содержанием в них метана через подземные и наземные скважины выполнены на шахтах им. С.М. Кирова и «Котинская». Основной целью этих исследований являлось обоснование параметров дегазации сближенных пластов угля при высоких скоростях подвигания очистных забоев, превышающих 5-10 м/сут.
Характеристика выемочных участков, на которых выполнены наблюдения за изменением метанообильности горных выработок и продуктивности систем дегазации в условиях шахт им. С.М. Кирова (пласт 24-Болдыревский) и «Котинская» (пласт 52), приведена в табл. 2 и 3. Характерной особенностью при наблюдениях явились высокие нагрузки на очистные забои, оборудованные современными угледобывающими комплексами, с достаточно высокими скоростями подвигания забоев.
Таблица 1
Местоположение зон повышенного газовыделения в скважины
Скорость подвигания очистного забоя, м/сут Подрабатываемый пласт (М = 25-60 м) Надрабатываемый пласт (М = 10-30 м)
Xmax , м Уmax , м Xmax , м Уmax , м
1 М 0,4 М 1,5 М 0,9 М
1,5 1,3 М 0,5 М 2 М 1,1 М
2,5 1,7 М 0,6 М 2,6 М 1,2 М
3,5 2 М 0,8 М 3 М 1,5 М
5 2,1 М - 3,3 М -
10 2,2 М - 3,6 М -
Среднесуточная добыча угля в лавах составляла 6240-18075 тонн при колебаниях от 2000 до 26000 тонн. Средняя за сутки скорость подвигания лав находилась в интервалах 7,5-14 м/сут. Мета-нообильность выемочных участков с учетом каптированного метана составляла 51,4-170 м3/мин при дебите комплекса средств дегазации от 17,6 до 53 м3/мин.
Усиление дегазации на выемочных участках шахты им. С.М. Кирова за счет извлечения метана из сближенных пластов и выработанных пространств подземными и наземными скважинами (по РД-15-09-2006) показало, во-первых, повышение продуктивности дегазационных скважин до 51,6 м3/мин с кондиционным содержанием метана в каптируемых газоводушных смесях, во-вторых, уменьшение с 90,2 до 27 м3/мин объемов некондиционного метана, отводимого из выработанного пространства газоотсасывающими вентиляторными установками, и практически на современном уровне развития технологий и организации работ по утилизации обедненных метаном смесей, непригодных для утилизации и, в-третьих, достаточно высокая продуктивность дегазационных скважин обеспечивает невысокое метановыделение в призабойное пространство лавы, а каптируемые смеси пригодны для утилизации.
В условиях лавы 52-03 (шахта «Котинская») вертикальные дегазационные скважины были пробурены на расстояниях 25-30 м от вентиляционного штрека через 45-55 м друг от друга. Скважины перебуривали толщу угленосных пород над пластом 52 и сам отрабатываемый пласт.
Таблица2
Аэрологические показатели на выемочных участках
Наименование показателей Угольные шахты и лавы
Им. С.М. Кирова «Котинская»
24-48 24-49 24-50 24-51 52-03
Расход воздуха, м3/мин: Выемочный участок 1500 1620 1785 1150- 1960 2185
Поступающая струя Исходящая струя из лавы ВМЦ-7, УВЦГ-9 1500 1620 1785 1150- 1960 2185
980 1110 1085 780- 1360 1900
360 510 575-820 370- 600 -
Содержание метана в воздушных потоках, %: Выемочный участок Поступающая струя Исходящая струя из лавы ВМЦ-7, УВЦГ-9 0,5-1,0 0,5-0,7 0,2-0,8/0,3- 0,9*) 0,7-0,9 0,45-0,65
0 0 0 0 0
0,7-1,0 0,95 0,3-0,9 0,5-0,9 0,8
9-12 8-12 3-11 3,2-3,5 -
Метановыделение , м3/мин: Выемочный участок Поступающая струя Исходящая струя из лавы ВМЦ-7, УВЦГ-9 88,9 99,5 141,2/152,6*) 33,5
0 0 0 0 0
8,0 10,4 10,3 8,3 15,2
36,0 55 27/90,2*) 5,35 -
Расход каптированного метана, м3/мин 43,3 36,1 104,1/52,1*) 17,6-24,5
Примечание - ^ Числитель - после усиления дегазации, знаменатель - до ее усиления (с газоотсосом)
Частота перебуренных скважин превышала в 2 раза рекомендуемое РД-15-09-2006 расстояние между вертикальными скважинами. При этом скважины пересекали подрабатываемый пласт 53, расположенный над пластом 52 на расстоянии 45 м, на границе разгрузки его от горного давления, а пласты 56 и 57 при междупласть-ях 128 и 144 м соответственно - в неразгруженных зонах, которые при угле разгрузки пород Таблица 3
Способы управления метановыделением на выемочных участках
Шахта Пласт Схема проветривания Способ и схема дегазации
Им. С.М. Кирова 24 Возвратноточная на угольный массив с дополнительным отводом метановоздушных смесей из выработанного пространства газоотсасываю- 1. Разрабатываемого пласта подземными параллельноодиночными скважинами 2. Подрабатываемых сближенных пластов и выработанных пространств подземными и наземными скважинами
щими вентиляторными установками 3. Старых выработанных пространств наземными скважинами и/или через трубы, заведенные за перемычку
«Котинская» 52 Возвратноточная на угольный массив Сближенного подрабатываемого пласта и выработанного пространства
кровли, равном 55°, находились в интервале соответственно 82 и 92 м от вентиляционного штрека.
При средней скорости подвигания очистного забоя лавы 52-03, равной 11-14 м/сут, зоны максимальных величин метановыделения в дегазационные скважины в соответствии с формулами (4) и (5) должны располагаться в пластах 53, 56 и 57 на расстояниях от линии очистного забоя соответственно 50,3; 137,1 и 153,8 м, а в над-рабатываемом пласте 51 при междупластьи 39 м - на расстоянии 71,7 м. Это свидетельствует о неудачных параметрах заложения вертикальных скважин на выемочном участке лавы 52-03.
Расчеты по РД-15-09-2006 при приведенных выше исходных данных свидетельствуют о том, что вертикальные скважины должны пересекать пласт 53 на расстояниях 38-40 м от вентиляционного штрека с интервалом между скважинами 90 м (при шаге обрушения пород основной кровли 30 м), а по центральной оси выемочного столба необходимо располагать дополнительные вертикальные скважины с интервалом 150 м. При таких параметрах будут увеличены объемы каптируемого метана, а извлекаемые передвижными наземными вакуум-насосными станциями газовоздушные смеси будут кондиционными по метану, пригодными для эффективных способов его утилизации, уменьшатся объемы выбросов парниковых газов в атмосферу, улучшится газовая ситуация на выемочном участке, повысятся нагрузки на очистной забой по газовому фактору.
---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Оценка ресурсов и объемов извлечения метана при подземной разработке угольных месторождений России / А.Д. Рубан В.С. Забурдяев, Г.С. Забурдяев -М.: ИПКОН РАН, 2005. - 152 с.
2. Методические основы проектирования дегазации на действующих и ликвидируемых шахтах / В.С. Забурдяев, А.Д. Рубан, Г.С. Забурдяев и др. -М.: ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского, 2002. - 316 с.
3. Метан в шахтах и рудниках России: прогноз, извлечение и использование / А.Д. Рубан, В.С. Забурдяев, Г.С. Забурдяев и Н.Г. Матвиенко. - М.: ИПКОН РАН, 2006. - 312 с.
4. Методические рекомендации о порядке дегазации угольных шахт (РД-15-09-2006). Серия 05. Выпуск 14/Колл. авт. - М.: ОАО «Научно-технический центр по безопасности в промышленности», 2007. - 256 с. ЕШ
Zaburdjaev V. S, Mazanik E. V.
METAN FULLNESS OF HIGH-EFFICIENCY CLEARING FACES AND WAYS OF ITS DECREASE IN CONDITIONS OF "SUEK-KUZBASS" PUBLIC CORPORATION MINES
The gas-dynamic processes within coal seams under mining are highly influenced by the seam natural properties as well as by the mining conditions. The first ones include the methane content within the coal seams, the second ones include the productivity within the working faces. There has been established the methane-bearing content/ stratification depth as well as the methane emission rate/ daily load on longwall face dependences.
Key words: methane emission, carbonic massif, degassing, foulness.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------
Забурдяев B.C. - ведущий научный сотрудник, УРАН ИПКОН РАН, email: info@ipkonran.ru
Мазаник Е.В. - заместитель технического директора - начальник Управления вентиляции и дегазации ОАО «СУЭК-Кузбасс», е-mail: mazanikev@lnk.suek.ru
