CC BY
27
Рис. 4. Параметры скважин, позволяющие увеличить их длину
имели проводимость в пять раз выше, чем на глубинном участке скважины. Такая разность в проводимости достигается за счет увеличения диаметра скважины всего в 2,3 раза. В результате процесс выноса смеси интенсифицировался. Участок заштыбовки сократился до минимума, причем наблюдается тенденция к его полному рассасыванию во времени.
На рис. 4 показаны примеры реализации способа создания переменной пьезопроводимости скважины путем расширения ее участков (верхний фрагмент) или бурения дополнительных или сателлитных скважин (нижний фрагмент). При этом нагнетание рабочей жидкости осуществляется через центральную скважину, а выброс реализуют через все скважины. Важно соблюдать только одно требование: все вспомогательные сателлитные скважины должны размещаться в радиусе гидродинамического воздействия на массив. Можно предположить, что сателлитные скважины обеспечат еще один положительный эффект в плане расширения радиуса зоны разрушения вмещающего массива.
Таким образом при соотношении диаметра скважины к ее длине, большем критического наблюдается устойчивый выброс газоводо-
1. Булат А.Ф. О фундаментальных проблемах разработки угольных месторождений Украины//Угол Украины. - 1997, №1. - С. 14-17.
2. Nakajima I., Asakura K., Yang Q., Imai T. Effect of earth temperature on gas permeability of stressed coal/Proceedings of Int. Symp. on Management and control of high gas emissions and outbursts in underground coal mines. Wollongong, NSW, Australia, 1995. - P. 323-330.
I 11 '
I ' ~ --- I
I----- ---1
Н А
1. л-Л
°о°
о
угольной смеси. Характерным признаком устойчивости процесса выброса является возникновение автоколебательного процесса в ее приустьевом участке. При этом возникает пространственно-временная структура поля давления, характеризующаяся периодичностью изменения мгновенной величины давления от трендового уровня.
При уменьшении соотношения диаметра скважины к ее длине процесс выброса становится неустойчивым за счет заштыбовки среднего участка протяженности скважины.
Предложены методы управления устойчивостью выброса путем бурения скважины переменного диаметра или создания дополнительных скважин по принципу, чем ближе к устью скважины, тем больше суммарное проходное сечение скважины.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Бокий Б.В. Оценка эффективности схем проветривания добычных участков шахты им. Засядько// Геотехническая механика, 2001 №27.-С. 64-68.
4. Гидродинамическое воздействие на газонасыщенные угольные пласты/ А.Ф. Булат, К.К Софийский, Д.П. Силин и др.- Днепропетровск: Полиграфист, 2003-230 с.
— Коротко об авторах ---------------------------------------
Бокий Б.В. Ефремов И.А. - АП шахта им. Засядько, г. Донецк, Украина. Назимко В. В. — ДонНТУ, г. Донецк, Украина,
Софийский К.К. - ИГТМ, г. Днепропетровск, Украина.
--------------------------------------------- © В.Н. Бобровников, И.Е. Плиско,
В.М. Бучатский, И.П. Бочаров,
2004
УДК 622.41:533.17
В.Н. Бобровников, И.Е. Плиско, В.М. Бучатский,
И.П. Бочаров
ОПЫТ ГАЗОУПРАВЛЕНИЯ НА ШАХТАХ ВОРКУТЫ
Семинар № 5
ш я ереход экономики России к новым
-Ж.-1 экономическим отношениям и связанная с этим реструктуризация угольной промышленности привели к ликвидации большинства нерентабельных шахт, потребовали повышения производительности и эффективности добычи угля на перспективных предприятиях.
Высокие темпы добычи и концентрации производства на единичных добычных участках («шахта-лава») с достижением высокого уровня (до 4000-5000 т/сут на забой и более) тормозятся не только техническими возможностями шахт (изношенность оборудования, пропускная способность линий и др.). Главным сдерживающим фактором на большинстве шахт Воркуты является «метановый» барьер, связанный с высокой метаноносностью угленосного массива на глубинах ведения горных работ до 900-1000 м и метанообильностью выемочных участков, достигающей 60-80 м3/мин.
Структура газового баланса выемочных участков шахт Воркуты способствовала выработке основных направлений управления газовым режимом с помощью средств вентиляции и специальных способов и средств дегазации. Первые обеспечивали разбавление
метановоздушных потоков до безопасных концентраций, вторые снижали газовыделе-ние от источников поступления и способствовали сокращению необходимого для разбавления метана объема воздуха.
Переход на прямоточные с подсвежением и выпуском исходящей вентиляционной струи из лавы на выработанное пространство схемы проветривания выемочных участков, а также бесцеликовое поддержание вентиляционных выработок значительно снизили притоки метана из выработанного пространства в очистные забои, что позволило уменьшить расход воздуха по лаве и увеличить нагрузку на забой.
В 60-е годы при буровзрывной или комбайновой выемке угля в очистных забоях шахт Воркуты нагрузка на забой не превышала 500 т/сут, а расход воздуха в лаве 300-500 м3/мин. Применяемые сплошная и столбовая системы разработки с прямоточным и возвратноточным (75%) проветриванием выемочных участков на глубинах разработки пластов («Мощный», «Тройной», «Четвертый», «Пятый», «Восьмой» и 01) 390-510 м (шахты №№ 1, 5, 7, 18, 40) обеспечивали при этих условиях относительно стабильные характеристики газового режима участков. Относительная метанообильность
Таблица 1
Характеристика газового режима добычных участков шахт Воркуты
Показатель (параметр) Шахта, пласт
«Аяч-Яга», пласт 14 «Заполярная», Четвертый «Северная», Четвертый «Воркутпн-ская», Четвертый «Комсо- мольская», Мощный
1. Глубина, м 420 700 900 860 1030
2.Добыча, т/сут 1000 1000 1300 1000 2000
3.Метаноносность, м3/тс.б.м. 4.Газовыделение на выемочном участке: 16,4 26,3 28,3 28,0 23,5
абсолютное, м3/мин 7,3-10,0 33,0-40,0 55,0-60,0 43,0-50,0 49,0
относительное (без учета дегазации), м3/т 5.Газовый баланс: 6,0 17,0 18,0 20,0 15,0
разрабатываемый пласт, м3/т 1,5 4,2 4,5 4,3 3,0
подрабатываемые пласты-спутники, м3/т 4,1 33,8 43,5 38,0 27,0
надрабатываемые пласты-спутники (массив), м3/т 4,8 9,5 13,1 20,0 5,0
6.Расход воздуха, подаваемого на участок, м3/мин 900 1800-2000 1800-2200 1800 2800
участков достигала 20-30 м3/т, при абсолютном выделении метана по шахте до 50 м3/мин. Дебит газа в вентиляционную струю на выходе из лавы по всем шахтам составлял 2-3 м3/мин., по участку достигал 15-20 м3/мин.
В 2000-2003 гг. ситуация на добычных участках шахт Воркуты (таблица) существенным образом отличалась от ситуации 60-х годов. Увеличение глубины разработки до 1000 м, рост нагрузки на забой до 2000 т/сут и более привели к необходимости увеличения расхода воздуха на участок до 2000-3000 м3/мин.
На шахтах Воркуты уже с 1975 г. (шахта № 4) начали применять дегазацию выработанного пространства кустами скважин через 50-100 м по простиранию с пересечением вышележащих пластов-спутников. Дренаж метана осуществлялся после разгрузки вмещающих пород в результате выемки пласта. Наиболее эффективно работали скважины с углами наклона 45-48° при пологом падении пластов и от 9-10° - при наклонном. Дебит метана в скважине изменялся во времени от 10 до 0,5 м3/мин, продолжительность работы скважины 90-200 суток. Наряду с дегазацией через скважины на шахтах были испытаны способы отвода метана из выработанного пространства по трубам магистрального газопровода, изолированного отвода метановоздушной смеси за пределы выемочного участка по трубам большого диаметра за счет общешахтной депрессии и пр.
Достигнутый в тот период уровень дегазации по шахтам составлял в среднем 32 % (соотношение на шахте № 40: 7 м3/мин. - дегазация, 10 м3/мин. метана - вентиляция).
Работа современной шахты в условиях Воркуты практически невозможна без дегазации вмещающей пласт угленосной толщи. Преимущество получила дегазация подрабатываемых угленосных толщ, хотя в последние 1012 лет интенсифицировался процесс дегазации и надрабатываемого массива.
Дегазационные скважины на верхние пласты-спутники при применяемой бесцеликовой технологии выемки угля располагаются с фланговых вентиляционных выработок (уклонов, бремсбергов) в сторону выработанного пространства и обеспечивают высокую эффективность дегазации на период отработки, как при панельном, так и погоризонтном способе подготовки пластов, отрабатываемых столбами длиной 1000-1300 м по простиранию или падению. По мере увеличения длины выемочных столбов до 2000-2500 м и роста нагрузки на очи-
стной забой эффективность фланговых скважин снижается и не может обеспечивать снижение га-зовыделения на участке до требуемого уровня. Наличие поддерживаемой вентиляционной выработки с исходящей струей воздуха по всей длине выемочного столба позволяет расположить скважины вдоль плоскости разгрузки пород в зоне смещения обрушенных пород, а также разработать способы герметизации таких скважин.
Применяемые схемы дегазации подрабатываемых пластов-спутников позволили довести эффективность их дегазации до 8090 % и объем каптируемого метана от 30 до 50 м3/мин. с каждого выемочного столба. Эффективность дегазации выемочных участков колеблется в пределах 50-75 %, а по шахтам в целом (эффективность всей шахтной дегазационной системы) от 35 до 55 %.
По расположению и способу охраны дегазационные скважины можно разбить на две группы:
1) скважины, устья которых охраняются целиками угля;
2) скважины, пробуренные вдоль плоскости угла разгрузки пород с сильно развитой трещиноватостью.
Большинство скважин второй группы бурят из выработки позади лавы с отставанием от линии очистного забоя на 150-200 м в зоне, где в основном стабилизируются процессы сдвижения вышележащей толщи пород. К этой же группе относятся и скважины, которые бурятся впереди линии очистного забоя и после прохода лавы сразу подключаются к дегазационному трубопроводу.
Эффективность работы скважин зависит от угла их наклона, длины и герметизации устья. В целом, для дегазационных скважин характерно следующее.
Скважины, охраняемые целиками угля, имеют среднюю концентрацию метана в метановоздушной смеси (при подключении их в работу) 80100 % и дебит 9,0-9,5 м3/мин. метана. Зона эффективной работы скважин составляет 900 м, при этом дебит метана после отхода лавы на 900 м составляет в среднем 4,6 м3/мин. при концентрации его (метана) в смеси 60 %. Скважины, пробуренные из поддерживаемой за лавой вентиляционной выработки вдоль плоскости разгрузки породной толщи, имеют дебит метана до 7,7 м3/мин. со средней концентрацией его в смеси 77 %, зона эффективной работы скважин составляет 200 м и более. Скважины, пробуренные заранее впереди лавы и подключенные к дегазационному трубо-
проводу после прохода их устья линией очистного забоя, имеют в момент подключения дебит метана до 3,0-3,3 м3/мин. с концентрацией его в смеси 65-70 %. Снижение дебита и концентрации метана в смеси до принятого нижнего предела 60 % происходит, как и у скважин, пробуренных позади лавы, на расстоянии 200-250 м.
Система дегазации, принятая при первоочередной отработке пластов «Четвертый» и «Мощный» с расположением дегазационных скважин по контуру выработанного пространства, несмотря на достигнутую высокую степень дегазации в пределах выемочного столба, не обеспечивает эффективный каптаж метана на участке между очистным забоем и началом размещения дегазационных скважин. Этот фактор сказывается на условиях безопасности, так как многие крупные аварии, связанные с загоранием и вспышками метана, произошли на расстоянии 40-250 м от лавы (за лавой). При существующих схемах дегазация пластов-спутников впереди лавы почти не производится. Дегазационные скважины бурятся из поддерживаемых выработок в 100-150 м за лавой, когда разгрузка пластов-спутников произошла, и часть газа перешла в свободное состояние и удаляется вентиляционной струей. В результате сдвижения пород в выработанном пространстве и деформации скважин происходит разгерметизация устьев скважин, дебит метана и его концентрация резко снижаются.
Такое расположение скважин для дегазации подрабатываемой толщи обеспечивает их активную работу в течение 5-7 месяцев, реже больше. Обычно активная работа их прекращается на расстоянии 400-700 м от лавы, что не позволяет эффективно управлять метановым потоком из поддерживаемых выработок и приводит к выделению метана и образованию слоевых скоплений. Кроме того, бесцеликовая технология выемки угля обусловливает хорошую аэродинамическую связь между выработками действующего участка и ранее отработанными выемочными полями, что способствует росту газообильности в 1,5-2,0 раза к концу отработки столба (панели).
Применяемые схемы дегазации надрабаты-ваемой толщи также нуждаются в совершенствовании. Практически дегазация надрабатываемой толщи скважинами, пробуренными из выработок разрабатываемого столба, не применяется в требуемых объемах из-за затопления скважин водой и невысокой эффективности. Считается более результативным добиваться снижения газовыделе-ния из надрабатываемых пластов в выработки выемочного участка путем дегазации выработан-
ного пространства, куда первоначально выделяется метан из надрабатываемого угленосного массива. Такой подход к дегазации надрабатываемой толщи обуславливает дополнительную концентрацию метана в газовоздушном потоке, протекающем по выработанному пространству параллельно поддерживаемой выработке.
Установлено, что при бесцеликовой технологии, прямоточных схемах проветривания и используемых способах дегазации увеличение количества подаваемого воздуха не исключает образование местных скоплений метана в поддерживаемой за очистным забоем выработке, особенно при внезапных сдвижениях пород в выработанном пространстве или падении барометрического давления.
В настоящее время практический интерес представляет опыт шахты «Центральная» ОАО «Воркутауголь» (закрыта в 1998 году) по использованию спаренных выработок для подготовки участков по пласту «Мощный» (п14+13+12+ц). Несмотря на то, что мощности пластов «Четвертый» и «Мощный» и, соответственно, типы механизированных комплексов для их отработки существенно отличаются, многие решения по компоновке оборудования в спаренных выработках и выработкам по другим параметрам технологических схем могут оказаться общими для обоих пластов. В частности, на пласте «Мощный» механизированная крепь сопряжения предусмотрена лишь на сопряжении лавы с конвейерным штреком (нижнее сопряжение). Все подготовительные выработки имеют арочную форму поперечного сечения, пройдены по пласту без присечки породы, закреплены крепью КМП-А3 с шагом установки 1,5 рамы на метр.
По мере подвигания очистного забоя рельсовый штрек, служащий для подачи воздуха в лаву, погашается (за лавой). Извлечение крепи производится с помощью лебедки. На участке 35 м впереди лавы на штреке устанавливается крепь усиления. Конвейерный штрек поддерживается за лавой лишь до ближайшей сбойки, расстояние между сбойками 75 м, что соответствует месячному подвиганию очистного забоя. Операции по передвижке энергопоезда и подлавного конвейера выполняются один раз в месяц при приближении лавы к передней сбойке. Рельсы, демонтированные в конвейерном штреке, переносятся и складируются. Погашенная часть конвейерного штрека заперемы-чивается, а скребковый конвейер в передней сбойке монтируется заранее, поэтому одновременно на выемочном участке необходимо
иметь два скребковых конвейера для сбоек. Позади лавы поддерживается лишь одна сбойка для выдачи исходящей из лавы струи воздуха. В остальных сбойках за лавой устанавливаются глухие вентиляционные перемычки.
Схема проветривания выемочного участка - прямоточная с подсвежением, на участок подается 1800 м3/мин. свежего воздуха. Из них 1000 м3/мин. - по рельсовому штреку (к лаве), 300 м3/мин. - по конвейерному штреку, 500 м3/мин. - по второму рельсовому штреку (нижняя парная выработка, сохраняемая для следующего выемочного столба). Постоянно работает куст дегазационных скважин на сопряжении рельсового штрека и флангового уклона с дебитом метана 6-8 м3/мин. Кроме того, с отставанием от лавы на 100-120 м забуриваются через целик кус-
ты скважин из рельсового штрека (нижней парной выработки) на расстоянии 160 м друг от друга. Скважины работают с дебитом метана 4-10 м3/мин.
Для подготовки выемочных столбов по пласту «Четвертый» парными штреками, на основании выполненных исследований, установлены рациональные параметры подготовки и паспорта крепления. Сечение конвейерного штрека, примыкающего к забою, не менее 10,3 м2 в свету, параллельного -12,8 м2 с трапециевидной формой и шагом установки крепи типа КМП-Т 1,0 рамы на метр, ширина междуштрекового целика 6,0 м, расстояние между сбойками, соединяющими парные штреки, 50 м, сечение сбоек 10,3 м2, оптимальная длина лавы 200 м.
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------------------
Бобровников Владимир Николаевич - профессор кафедры горного дела, филиал Санкт-Петербургского государственного горного института им. Г.В. Плеханова (технического университета) «Воркутинский горный институт».
Плиско Игорь Евгеньевич - ассистент, филиал Санкт-Петербургского государственного горного института им. Г. В. Плеханова (технического университета) «Воркутинский горный институт»,
Бучатский Владимир Марьянович - ОАО "Воркутауголь.
Бочаров Игорь Петрович - первый заместитель технического директора, ОАО "Воркутауголь".
------------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ЗЕМЛИ им. О.Ю. ШМИДТА РАН
МАЛОВИЧКО Дмитрий Алексеевич Изучение механизмов сейсмических событий в рудниках Верхнекамского месторождения калийных солей 25.00.10 к.ф.-м.н.
