CC BY
61
Воркутское месторождение является в Печорском бассейне основным, наиболее освоенным. Разработка месторождения ведется пятью шахтами, входящими в состав ОАО «Воркутауголь», из них четыре ведут отработку пластов рудницкой подсвиты и одна производит выемку пластов интинской подсвиты. В разрезе угольной толщи месторождения содержится 140 угольных пластов и пропластков. Абсолютное большинство из них сегодня не подлежит отработке из-за малой мощности и высокой зольности. В настоящее время разрабатываются лишь шесть пластов: Четвертый мощностью 1,5 м, Мощный - 4,0 м, Тройной - 2,5 м, Пятый - 0,9—1,0 м, пласты J4 и Н4 мощностью 1,1-1,4 м.
Месторождение характеризуется практически полным отсутствием зон полной деметанизации - азотно-углекислой и углекисло-азотной, установленных в других бассейнах. В условиях Печорского бассейна и Воркутского месторождения в том числе выделены две газовые зоны: зона газового выветривания и зона метановых газов. Мощность зоны газового выветривания увеличивается на полях шахт Воркутского месторождения в общем направлении с юга на север от 0-50 м до 80-100 м. На северном замыкании Воркутской мульды (закрытые шахты «Юр-Шор», «Центральная», «Промышленная», действующая «Октябрьская») мощность зоны газового выветривания увеличивается до 160-200 м.
Незначительная глубина залегания поверхности зоны метановых газов и наличие экрана пород в состоянии вечной мерзлоты обусловили высокую степень газоносности углепородной толщи месторождения. Если на глубине 300 м газоносность угольных пластов составляла 10-12 м3/т, то на достигнутых к настоящему времени глубинах ведения горных работ 800-1000 м газоносность составляет уже 25-28 м3/т, а относительная газообильность шахт изменилась от 9-12 до 60-70 м3/т и более, по выемочным участкам она доходит до 80-90 м3/т. При такой высокой газообильности снижение газовыделения в горные выработки шахт дегазацией было просто необходимо. Дегазация, как неотъемлимый технологический процесс стала применяться на шахтах Воркутского района с 1956 г., и в настоящее время все шахты, кроме шахты «Октябрьс-кая», применяют дегазацию.
Развитие дегазации на воркутинских шахтах можно разбить на два периода. В первый период, когда на шахтах применялась панельная подготовка и нарезка выемочных столбов с оставлением межлавных целиков, применялись схемы дегазации подрабатываемой толщи набегающими диагональными скважинами, скважинами из откаточных и вентиляционных штреков при отработке пластов в пределах горизонта одной лавой (лава-этаж), а также предварительная дегазация разрабатываемых пластов. Применялись схемы дегазации и при проведении подготовительных выработок опережающими забой скважинами на 80-120 м. Эффективность дегазации диагональными набегающими скважинами доходила до 30-35 %. Предварительная дегазация разрабатываемых пластов позволяла снижать относительное газовыделение на 4-8 м3/т при общей эффективности 40-60 % и широко применялась как мера борьбы с внезапными выбросами угля и газа на пластах Мощном, Тройном, Двойном, Первом.
По мере увеличения глубины ведения горных работ эффективность дегазации разрабатываемых пластов падала, возрастала интенсивность внезапных выбросов угля и газа как в подготовительных, так и очистных забоях. Региональной мерой борьбы против внезапных выбросов была принята первоначальная отработка пласта Четвертого, как защитного. Это дало положительные результаты и надобность в предварительной дегазации разрабатываемого пласта отпала на пластах Тройном, Первом и Двойном, а на пластах Мощном и J4 - с переходом на прямоточные схемы проветривания. Кроме того, на существующих глубинах возможности имеющейся буровой техники не позволяют обычно бурить скважины длиной более 15-25 м, т. е. не выходят за пределы зоны опорного давления, формирующегося в краевой части пласта. В результате пластовая дегазация перестала применяться даже на пласте Мощном, опасном по внезапным выбросам угля и газа.
Вторым периодом в развитии дегазации следует считать переход на бесцеликовую схему подготовки и отработки пластов с поддержанием одной из выработок на границе «массив - выработанное пространство». Такая схема выемки пластов предопределила применение прямоточных схем проветривания с выдачей исходящей струи из очистного забоя в сторону выработанного пространства на фланговые вентиляционные сбойки. Наличие фланговых вентиляционных сбоек позволило закладывать дегазационные скважины в сторону выработанного пространства и обеспечить их продуктивную работу на период отработки всего столба как в действующей лаве, так и на площадях ранее отработанных ярусов без каких-либо дополнительных затрат, при этом скважины бурились как над монтажными, так и над демонтажными камерами. Длительной работе скважин способствовало то обстоятельство, что устья скважин охранялись целиками угля. Такая схема дегазации получила название «фланговой схемы», которая позволяла отрабатывать выемочные столбы длиной 800-1000 м.
По мере увеличения длины выемочных столбов до 2000 м и более и роста нагрузок на лавы эффективность дегазации по выемочному участку при применении только фланговых скважин падала. Обеспечение необходимой эффективности дегазации было найдено за счет заложения дегазационных скважин на подрабатываемые пласты и пропластки вдоль плоскости разгрузки вышележащей толщи в зоне стационарного смещения пород и способа герметизации затрубного пространства буровым шламом, образующимся в процессе бурения скважины. Применяемую схему расположения скважин следовало бы называть уже не фланговой, а «схемой дегазации угленосной толщи по контуру выработанного пространства» (рисунок).
Газовый баланс выемочных участков по источникам выделения в усредненных величинах складывается следующим образом:
© Ю.В. Шувалов, В.Н. Бобровников, П.В. Черников, 2002
УДК 622.817.9:661.184.35
Ю.В. Шувалов, В.Н. Бобровников, П.В. Черников О РАЗВИТИИ ДЕГАЗАЦИИ НА ШАХТАХ ВОРКУТЫ
Исходя из такого долевого участия источников основным объектом дегазации до последнего времени были подрабатываемые пласты и пропластки. Дегазационными скважинами из этого источника улавливается до 80-85% выделяющегося в горные выработки метана. Такой эффективности улавливания метана из подрабатываемых пластов-спутников способствует и высокая угленасыщенность зоны разгрузки, участвующей в газовыделении в выработки шахт. При отработке пласта Четвертого вмещающая углепородная толща разгружается от горного давления на высоту 180-190 м, в этой зоне расположено 12-15 пластов-спутников общей мощностью 6,2 м, т. е. более чем в 4 раза больше самой мощности разрабатываемого пласта. При отработке пласта Мощного высота разгрузки равна 300-350 м, а суммарная мощность разгруженных пластов-спутников составляет 20-22 м, т. е. в 5 раз больше мощности самого разрабатываемого пласта.
Из общего объема бурения по выемочному столбу примерно 90 % составляют скважины, которые бурятся из поддерживаемой за лавой выработки, остальные 10 % составляют скважины, устья которых охраняются целиками угля (над монтажными и демонтажными камерами и т. д.). Скважины, охраняемые целиками угля, имеют более высокий дебит и концентрацию, а также и более длительный период эффективной работы.
При работе выемочных участков пласта Четвертого шахты «Северная» были проанализированы работы всех скважин. Выяснилось следующее:
1) скважины, охраняемые целиками угля, в момент подключения имели дебит 9-9,5 м3/мин чистого метана с концентрацией 80-100 %. После отхода линии очистного забоя на 900 м скважины имели средний дебит 3-4 м3/мин с концентрацией 60 %;
2) скважины, заложенные позади лавы с отставанием 150-200 м, имели дебит 7,7-1,5 м3/мин с концентрацией 77-60 %, а зона эффективной работы составляла 200 м;
3) скважины, пробуренные впереди лавы и подключенные к газопроводу сразу после прохода их устья линией очистного забоя, в момент подключения имели дебит 3-3,3 м3/мин с концентрацией 67 %. Потом дебит нарастал и затем постепенно снижался до 1,5-2 м3/мин, а концентрация доходила до 50-60 % в течение времени, за которое лава успевала отойти на 200 м.
Аналогичная картина наблюдается и при работе скважин по пласту Мощному. Скважины над монтажной камерой (шахта «Комсомольская») функционировали в течение всего времени отработки столба (длина столба 1600 м) с дебитом 6-4 м3/мин и концентрацией 100-70 %. Сильно отличались режимом работы скважины, пробуренные позади лавы, концентрация в них не превышала 35-60 %. Причины не очень эффективной работы скважин на этом участке две: заданный низкий угол разгрузки пород при бурении скважин (55°) и недостаточная длина герметизации. Анализ работы группы скважин, пространственные параметры заложения которых были приняты при углах сдвижения 55, 60 и 65° показал, что наиболее продуктивны скважины, для которых угол плоскости разгрузки принят равным 65°.
Скважины позади лавы обычно бурятся через 150-200 м и отключаются при концентрации метана в каптируемой смеси 40-50 %. Причина здесь простая. На шахтах, утилизирующих метан, необходимо иметь концентрацию не ниже 30 %. В среднем на ВНС (вакуум-насосных станциях) шахт ОАО «Воркутауголь» концентрация составляет 35-40 %, по некоторым шахтам доходит до 50 % (таблица).
По выемочным участкам пласта Четвертого при нагрузках 1000 т/сут и более дегазацией каптируется 30-35 м3/мин метана и более, по пласту Мощному до 30-35 м3/мин, а эффективность по участкам составляет, соответственно, 60-70 % и 50-60 %. Применяется также дегазация и при выемке подработанного пласта Тройного. Из одного выемочного участка извлекается 1015 м3/мин метана на шахте «Северная» при эффективности по участку до 85 % и 5-8 м3/мин метана на шахте «Воркутинская» при эффективности 70-75 %. Менее активно применяют дегазацию при отработке пласта Тройного на шахтах «Комсомольская» и «Заполярная».
Вторым источником по величине газовыделения в газовом балансе выемочных участков являются надрабатываемые смежные пласты. Как уже упоминалось, их доля в общем балансе составляет 20-30 %, а в абсолютных цифрах это составляет 8-17 м3/т. При нагрузках 1000-1500 т/сут по пласту Четвертому в выработанное пространство выделяется 15-20 м3/мин метана, по пласту Мощному при нагрузках 2500-3000 т/сут получается такая же величина газовыделения. И весь этот метан выделяется в исходящую вентиляционную струю выемочных участков, для разбавления которого до норм ПБ затрачивается до 70 %
ПОКАЗАТЕЛИ СИСТЕМ ДЕГАЗАЦИИ ШАХТ ОАО «ВОРКУТАУГОЛЬ»
Шахта Длина газопровода, м Объем извлекаемого дегаза-цией метана, м3/мин Объем смеси и концентрация метана на ВНС Объем смеси и концентрация метана на участках Величина подсосов по газопроводу, м3/(мин*м)
Qсм, м3/мин Х, % Qсм, м3/мин Х, %
Северная 42500 80,0 217,0 37 143,0 56 1,7*10-3
Комсомольская 35000 75,0 215,0 35 125,0 60 2,6*10-3
Центральная 10800 40,0 103,0 39 88,0 46 1,5*10-3
Воркутинская 34500 54,0 146,0 37 106,0 51 1,2*10-3
Примечание. Данные по шахте «Центральная» приведены на момент ее закрытия в 1998 г.
пласт Четвертый пласт Мощный
1. Подрабатываемые смежные пласты 65% 70%
2. Надрабатываемые смежные пласты 30% 20%
3. Разрабатываемый пласт 5% 10%
воздуха, подаваемого на выемочные участки. Такое положение дел следует считать расточительным.
Исследованиями дегазации надрабатываемых пластов научные работники и специалисты шахт начали интенсивно заниматься в последние 7-10 лет. Периодические попытки дегазации надрабатываемых пластов-спут-ников в бассейне имели место и ранее, но это были единичные скважины и дать по ним какого-либо положительного ответа не удавалось (причина - не было острой необходимости в дегазации надрабатываемой тол-щи). Исследования по дегазации надрабатываемых пластов и пропластков проводились на шахтах «Северная», «Воркутинская», «Комсомольская», «Заполярная» по пластам Четвертому и в меньшей мере по пласту Мощному. Скважины закладывались под разными углами (от -15° до -80°) на пласты пю, п9, П8, п7 и щ. Первые три спутника залегают в почве пласта Четвертого на расстоянии 8-12 м, пласт п7 (Пятый) мощностью до 1м залегает ниже пластов Четвертого и Мощного на расстоянии 3040 м, а пласт п (Восьмой) мощностью 0,6-0,8 м залегает в 60 м.
Выяснилось следующее. Дебит дегазационных скважин колеблется в пределах 0,2-6,0 м3/мин, а в среднем составляет 1,01,5 м3/мин. Расстояние между скважинами при дегазации пропластков Пю, п9 и п8 следует принимать равным 35-40 м, а при бурении скважин на пласт Пятый расстояние между скважинами должно быть 70-80 м, хотя скважины работают с дебитом по метану более 0,5 м3/мин и при расстоянии между ними 200 м (при анализе было принято, что скважины с дебитом менее 0,5 м3/мин следует считать неэффективными). Здесь уместно заметить, что в Германии, где дегазация надрабатываемых спутников применяется широко, рентабельным считается дебит 0,2-0,3 м3/мин (при наличии систем осушения скважин). Закладывать скважины далее пласта Пятого не имеет смысла, так как эти скважины очень поздно вступают в работу и имеют не очень высокую производительность.
В надрабатываемом массиве нет более или менее четкого угла разгрузки породной толщи. С достаточным эффектом работают скважины при углах от -15° до -80°, т. е. имеется зона, где газовыделение в скважины меняется незначительно. В этой зоне все же можно выделить сектор с углами от -30° до -60°, в котором дебит будет больше, а длина скважин будет меньше. Длина герметизации скважин - не менее 10 м.
При вскрытии дегазируемых пластов забоем скважины из нее под напором начинает выделяться вода под действием газового давления. Дебит воды самоизливом составляет от 1,5 до 20 л/мин. Выделение воды самоизливом продолжается в течение времени, за которое лава успевает отойти на 100-200 м. Эта же зона характеризуется активными процессами сдвижения пород. После этого уровень воды в скважинах стабилизируется ниже устья скважины в 8-10 м и остается практически неизменным длительное время. В выемочных столбах, отрабатываемых лавами по падению, перед линией очистного забоя существует определенный уровень зеркала воды в скважинах, который движется вслед за линией очистного забоя. На расстоянии 300400 м от забоя лавы в скважинах практически нет воды, но на таком удалении скважин от лавы дебит их становится очень небольшим (данные А. Н. Графкина).
Выводы:
1. Эффективность дегазации на шахтах ОАО «Воркутауголь» составляет 40-50 % и более; по выемочным участкам колеблется в пределах 60-70 % по пласту Четвертому, 50-60 % по пласту Мощному и 70-80 % по подработанному пласту Тройному.
2. Потенциальные возможности применяемых на шахтах схем дегазации подрабатываемых пластов и пропластков значительно исчерпаны и дальнейшее увеличение эффективности дегазации как по выемочным участкам, так и по шахтам можно обеспечить за счет дегазации надрабатываемых смежных пластов.
3. Эффективность улавливания метана дегазацией надрабатываемых пластов до уровня 50 % и более можно довести, применяя при дегазации этого источника средства осушения нисходящих скважин.
4. Основные технико-экономические показатели работы дегазации (объем извлекаемого метана из шахт, эффективность дегазации по участку и шахте, объем бурения, объем каптируемого метана с 1 пог. м скважины) сравнимы с аналогичными показателями передовых стран Европы.
Схема дегазации выемочного участка по контуру выработанного пространства
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ --------------------------------------------------------------------------------
Шувалов Ю.В. — профессор, доктор технических наук, Санкт-Петербургский государственный горный институт (СПГГИ). Бобровников В.Н. — доктор технических наук, СПГГИ.
Черников П.В. — горный инженер, Министерство труда и занятости населения Республики Коми.
