CC BY
34
ОБОСНОВАНИЕ НИЖНЕГО ПРЕДЕЛА МЕТАНОНОСНОСТИ ПОДВЕРГАЕМОГО ДЕГАЗАЦИИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА *
|>ремя установившихся в стране рыночных отношений и
-Я-М желание частных угольных компаний получать максимально возможные прибыли предопределили стремление хозяев предприятий эксплуатировать до технически возможного предела угледобывающую технику как на негазовых шахтах, так и на высокометанообильных очистных участках, где метановыделение в добычные смены порой достигает 50-70 м3/мин. Такая интенсивность выделения метана при работе очистных комбайнов практически на порядок превышает показатели метановыделения в лавах 80-х годов прошлого столетия, т. е. в то время, когда было разработано и вступило в силу «Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт» [1], в котором изложены методы прогноза метано-обильности участков и определения допустимой нагрузки на лаву по газовому фактору.
В связи с этим в условиях современных метанообильных шахт возникает необходимость своевременной подготовки выемочных участков к высокопроизводительной и безопасной отработке угольных пластов по газовому фактору. При этом первостепенная роль по снижению метанообильности очистных выработок должна отводиться дегазации как сближенных, так и разрабатываемых угольных пластов, несмотря на то, что неразгруженные разрабатываемые пласты имеют низкую газопроницаемость и газоотдачу в дегазационные скважины.
Способы, схемы и параметры дегазации угольных пластов и выработанных пространств, а также технология ведения дегазационных работ, изложенные в «Положениях по дегазации угольных шахт» [2], позволяют выбирать мероприятия по сниже-
** Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 05-05-65062)
нию метанообильности выемочных участков средствами дегазации. Однако, в них значение нижнего предела метаноносности пласта, равное 13 м3/т с.б.м, дано исходя из имеющегося опыта предварительной дегазации неразгруженных пластов угля подземными
скважинами, т.е. при величине метаноносности угольных пластов 13 м3/т с.б.м отмечалось продолжительное (до 150-180 суток) газо-выделение в пластовые скважины, функционировавшие в массиве угля с природной газопроницаемостью [3]. В то же время в разнообразных горнотехнических условиях отработки угольных пластов с различными газодинамическими и физико-механическими свойствами, петрографическим составом углей и нагрузками на очистные забои уровень нижнего предела метаноносности подвергаемого дегазации неразгруженного пласта угля может быть иным и, естественно, требует научного обоснования.
Основными исходными данными для обоснования нижнего предела метаноносности разрабатываемых пластов, при котором необходимо проводить предварительную их дегазацию, являются природная метаноносность пласта, его газопроницаемость и газо-отдача в дегазационные скважины, сечение призабойного пространства комплексно-механизированного забоя для прохода воздуха, допустимая скорость движения воздушного потока в очистной выработке, допустимая концентрация метана в исходящем из лавы потоке воздуха и фактическая (ожидаемая) концентрация метана в поступающем в лаву воздухе, необходимая производительность очистного комбайна, а также метаноносность массива угля в зоне выемки и остаточная метаноносность угля, выдаваемого из лавы.
С учетом заданных или имеющихся исходных данных, перечисленных выше, методические основы определения нижнего предела метаноносности подвергаемого дегазации разрабатываемого угольного пласта заключаются в следующем.
Устанавливаются величина газоносности разрабатываемого угольного пласта х (м3/т с.б.м) на выемочном участке [4], производительность очистного комбайна j (т/мин) с учетом горнотехнических факторов и планируемой суточной нагрузки на лаву [5].
Определяется допустимое метановыделение в очистном забое 1д0Т (м3/мин) по формуле
с = 0,6 S v (с - со), (1)
в которой S - площадь поперечного сечения призабойного пространства очистной выработки для прохода воздуха, м2; v -скорость движения воздуха в очистной выработке, м/с; с0, с - кон-
центрация метана соответственно в поступающем и исходящем из лавы потоках воздуха, %.
Рассчитывается метановыделение из разрабатываемого пласта в призабойное пространство с учетом особенностей схем проветривания по формуле
/доп тдоп /Л\
пл = Ппл Кч , (2)
где п'пл - доля метановыделения из разрабатываемого пласта в призабойное пространство лавы, доли ед.
Определяется метаноносность угольного пласта в зоне выемки очистным комбайном хв (м3/т с.б.м) из выражения
(3)
]
где XI - остаточная метаноносность угля, выдаваемого из лавы, м3/т с.б.м [1].
Определяется нижний предел метаноносности разрабатываемого пласта хн.п (м3/т с.б.м), при котором необходима дегазация угольного массива
х
X = -------2— , (4)
н.п 1 ’ 4 '
1 - Ке
где ке - коэффициент естественной дегазации пласта при его отработке лавой, доли ед.
ке = 1 - к-еп, (5)
к и п - коэффициенты уравнения [1].
Величина хн.п определяет уровень метаноносности пласта, при котором или выше которого дегазация разрабатываемого пласта является необходимой, а ее способы, схемы и параметры устанавливаются по рекомендациям Положений [2].
Обработка фактических данных о газоносности угольных пластов Кузбасса и Воркуты, определенной геологами при разведке и доразведке шахтных полей, позволила установить зависимости ме-таноносности пластов угля в определенных интервалах глубин залегания и численные ее значения (табл. 1), а дополнительные исходные данные и результаты определения нижнего предела мета-ноносности подвергаемых скважинной дегазации разрабатываемых пластов - в табл. 2. В последней на примере отдельных шахт и пла-
хв =
стов угля, различной их мощности, сечения призабойного пространства для прохода воздуха, минутной производительности очистного комбайна и коэффициенте естественной дегазации массива угля, прилегающего к призабойному пространству лавы, приведены численные значения метаноносности угольных пластов в зоне выемки угля и величины нижнего предела метаноносности подвергаемых дегазации пластов угля. При этом для определения коэффициента естественной дегазации пласта под влиянием разгрузочного влияния очистного забоя использованы рекомендации Руководства [І], а величин метаноносности угольного массива в зоне выемки угля и нижнего предела метаноносности подвергаемого искусственной (скважинной) дегазации - по приведенным выше формулам (3) и (4) соответственно.
Анализ результатов определения искомых величин (см. табл. 2) свидетельствует о том, что как метаноносность угольного массива в зоне выемки угля, так и численные значения нижнего предела метаноносности подвергаемых скважинной дегазации угольных пластов в существенной степени зависят от доли разрабатываемого пласта в газовом балансе призабойного пространства лавы, которая (доля), в свою очередь, предопределяется природной метаноносно-стью угольного пласта, схемой проветривания выработок выемочного участка, сечением призабойного пространства лавы для прохода воздуха, степенью естественной дегазации массива угля и производительностью очистного комбайна. Чем выше доля разрабатываемого пласта в газовом балансе призабойного пространства лавы, тем больше величина нижнего предела метаноносности дегазируемого скважинами пласта, поскольку основным источником метановыделения в призабойное пространство лавы является отрабатываемый пласт.
При значительных объемах поступления метана в призабойное пространство лавы из выработанного пространства (сближенных пластов и пород) возникает необходимость в более глубокой предварительной дегазации разрабатываемого пласта. Поэтому на высокопроизводительных выемочных участках со сложным газовым балансом требуются мероприятия
236
по комплексной дегазации основных источников метановыделе-ния. При этом чем больше величина природной метаноносности
разрабатываемого пласта и производительность очистного комбайна, тем меньше величина нижнего предела метаноносности подвергаемого предварительной дегазации разрабатываемого пласта, то есть потребуется более глубокая степень его искусственной дегазации. Больше будет извлечено метана и меньше его выделится в рудничную атмосферу.
Анализ данных табл. 2 свидетельствует также о том, что на пластах с вынимаемой мощностью 1,5-4,5 м и минутной производительностью очистного комбайна 5,1-10,6 т/мин необходимая степень скважинной дегазации угольного массива должна достигать 0,3-0,4 или 0,35-0,45 по уровню снижения метановыделения из разрабатываемого пласта в призабойное пространство лавы. Такой уровень дегазации разрабатываемых угольных пластов достижим при использовании перекрещивающихся скважин [2, 5, 6]. Для более глубокой дегазации неразгруженных пластов угля потребуется применение способов искусственного повышения газопроницаемости и газоотдачи угольного массива в скважины предварительной пластовой дегазации [6, 7, 8] до их бурения, либо использовать более плотную сетку перекрещивающихся скважин.
Таким образом, на примере отдельных угольных пластов Кузбасса и Воркуты при их метаноносности 15,2-21,2 м3/т с.б.м, вынимаемой мощности 1,5-4,5 м, сечении призабойного пространства для прохода воздуха 3,1-12,7 м2, минутной производительности очистных комбайнов 4,8-10,6 т/мин, доле разрабатываемого пласта в газовом балансе призабойного пространства лавы 0,5-1 и допустимом по условиям вентиляции метановыделении в призабойное пространство 7,4-30,5 м3/мин установлено, что численные значения нижнего предела метаноносности дегазируемого пласта составили 10,5-16,7 м3/т с.б.м при средней его величине 13,2 м3/т с.б.м.
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. Макеевка-Донбасс, 1989. - 319 с.
2. Положения по дегазации угольных шахт. - М.: ИПКОН РАН, 2006. - 214
с.
3. Метан в шахтах и рудниках России: прогноз, извлечение и использование /А. Д. Рубан, В.С. Забурдяев, Г.С. Забурдяев, Н.Г. Матвиенко. - М.: ИПКОН РАН, 2006. - 312 с.
4. Оценка ресурсов и объемов извлечения метана при подземной разработке угольных месторождений России /А.Д. Рубан, В.С. Забурдяев, Г.С. Забурдяев. -М.: Институт комплексного освоения недр РАН, 2005. - 152 с.
5. 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.
6. Методические положения по выбору и применению новых технологий дегазации и управления метановыделением на угольных шахтах /В. С. Забурдяев, А.Д. Рубан, И.В. Сергеев и др. - Люберцы: ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского, 2006. -116 с.
7. Пучков Л.А., Сластунов С.В., Коликов К.С. Извлечение метана из угольных пластов. - М.: Издательство МГГУ, 2002. - 383 с.
8. Пучков Л.А., Сластунов С.В. Эффективное решение проблемы метанобе-зопасности угольных шахт России - безотлогательная задача сегодняшнего для // Уголь. - 2006. - № 12. - С. 24-28.
— Коротко об авторах -------------------------------------------
Забурдяев Виктор Семенович - кандидат технических наук, Институт проблем комплексного освоения недр РАН.
© А. А. Шилов, Н. И. Грибанов, С.Н. Терещенко, В.А. Стадник,
