Особенности метановыделения при отработке пласта 52 на высокопроизводительной шахте «Котинская» (ОАО «СУЭК-Кузбасс») Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

------------------------------------- © В.С. Забурдяев, И.А. Новикова,

В.С. Сметанин, 2011

УДК 622.333:622.8

В. С. Забурдяев, И.А. Новикова, В. С. Сметанин

ОСОБЕННОСТИ МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЯ ПРИ ОТРАБОТКЕ ПЛАСТА 52 НА ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОЙ ШАХТЕ «КОТИНСКАЯ» (ОАО «СУЭК-КУЗБАСС»)

Установлена зависимость газоносности пласта 52 от глубины его залегания и глубины верхней границы метановых газов от земной поверхности горного отвода шахты «Котинская».

Ключевые слова: земная поверхность, флексур, алевролит, матановыделение, метано-обильность очистной выработки.

ш И ласт 52 в стратиграфическом

И разрезе угленосной толщи расположен в середине Ленинской свиты, Ерунаковской подсерии Кузбасса. Выше него залегает в 38—43 м пласт 53. Ниже пласта 52 в 32—39 м залегает пласт 51. Пласт 53 забалансовый по мощности и зольности. Мощность пласта 52 в пределах выемочного поля колеблется от 4,0 до 4,6 м при средней величине 4,4 м. Протяженность отработанного выемочного столба 5203, располагавшегося в западной части шахтного поля, составляла 2425 м, длина лавы — 230 м. Глубина от земной поверхности 205—265 м. Угол падения пласта 6—9°. Геометрия пласта по кровле волнистая с периодом 60—80 м и амплитудой до 2,4 м. Угол падения пласта вдоль столба 0—5°, но при переходе перегибов пласта (флексур) в средней его части — до 7°, поперек столба — от 8° в начале до 6° в конце столба. По мощности пласта в нижней его части имеется прослой невыдержанной мощности от 0,01 до 0,06 м, а на отдельных участках — до 0,08—0,10 м.

Непосредственная кровля пласта мощностью 16—17 м сложена мелко- и крупнозернистым алевролитом с коэффициентом крепости f = 3—4. Выше нее

кровля мощностью до 21 м сложена алевролитом средней и крупной зернистости с прослоем мелкозернистого песчаника ^ = 4—5). Почва пласта — алевролит мелкой и крупной зернистости (редко крупной) — не склонна к пучению, но повсеместно прослеживается ложная почва, представленная алевролитом с включениями прослоев угля и углистого алевролита.

Пласт 52 угрожаем по горным ударам с глубины -180 м, по внезапным выбросам — не опасен. Уголь пласта склонен к самовозгоранию, угольная пыль взрывоопасна. По качественным показателям уголь пласта 52 относится к марке ДГ = 40—41,2 %, у = 8 мм), сопротивление угля резанию — 180 кг/см, коэффициент крепости f = 0,8— 1,0. Пластовая зольность — 8,5 %, эксплуатационная — 12 %. Рабочая влажность — 9 %, аналитическая — 3,7 %. Объемная масса угля — 1,31 т/м3.

Отработка выемочного столба 5203 производилась системой длинные столбы по простиранию с полным обрушением пород кровли. Параметры системы разработки по паспорту выемочного участка приведены в табл. 1.

Таблица 1

Параметры системы разработки пласта 52 на участке лавы 5203

Параметры Размерность Численные показатели

1. Длина лавы по падению м 230

2. Длина выемочного столба (участка) по простиранию м 2 425

3. Нагрузка на очистной забой т/сут 23 000

4. Порядок отработки лавы — Прямой

5. Способ выемки угля — Комбайновый

6. Ширина захвата комбайна — подвигание очистного забоя за один цикл м 0,8

7. Зона первичного шага обрушения пород м

непосредственной кровли 34,3

основной кровли 57,1

8. Зона последующего шага обрушения пород м

непосредственной кровли 10,2

основной кровли 29,6

9. Тип крепи — DBT, поддерживающе— ограждающего типа

10. Схема работы комбайна — Односторонняя

11. Порядок выемки угля в забое — Снизу — вверх

Схема проветривания выработок выемочного участка лавы 5203 возвратноточная. Вентиляционный штрек 5203 предназначен для выдачи исходящей струи воздуха из очистного забоя, доставки материалов и оборудования с основной промплощадки, конвейерный штрек — для транспортировки угля из забоя, установки энергопоезда, подачи свежего воздуха. В лаву подавалось 2100—2350 м3/мин свежего воздуха, производилась дегазация выработанного пространства скважинами, пробуренными с земной поверхности.

Основными источниками выделения метана при отработке пласта 52 являются разрабатываемый пласт, подрабатываемый пласт 53 мощностью 1,28 м при зольности угля 26 %, надрабатываемый пласт 51 мощностью 1,88 м, который залегает ниже пласта 52 в 39 м.

При плановой нагрузке на очистной забой Ас=23000 т/сут скорость подвига-

ния лавы длиной 230 м — 17,1 м/сут. Абсолютное метановыделение в целом по выемочному участку при плановой суточной нагрузке на лаву 23000 тонн угля согласно прогнозу равно 30,56 м3/мин.

По данным телеметрии за второй месяц работы лавы при средней концентрации метана на исходящей вентиляционного штрека 5203, равной

0,47 % при расходе воздуха 2000— 2460 м3/мин и дегазации выработанного пространства, среднесуточное метановыделение на участке лавы 5203 составило 21,65 м3/мин, а в лаве

— 10,17 м3/мин. Дегазационная система включала ПДУ: при расходе метановоздушной смеси 70 м3/мин и средней концентрации метана в каптируемой смеси 33—34 % расход каптированного метана составлял 26,4 м3/мин.

X, м3/т с.б.м

X, м3/т с.б.м

Рис. 1. Зависимость газоносности угольных пластов от глубины залегания: а — свита угольных пластов; б — пласт

52

Для расчета параметров управления газовыделением на участке лавы 5203 приняты: метановыделение на участке

— 51,42 м3/мин, в том числе из разрабатываемого пласта -14,31 м3/мин, выработанного пространства — 37,11 м3/мин. Газовый баланс составил: разрабатываемый пласт — 0,28, выработанное пространство — 0,72.

Анализ исходных данных о газоносности угольных пластов при проведенных в 1970—1980 гг. геологоразведочных работах на шахтном поле позволил выявить зависимость га-

зоносности пласта 52 (Х, м3/т с.б.м) от глубины его залегания (Н, м), которая от верхней границы зоны метановых газов описана формулой

Х = к(Н-Н0) , (1)

где Н0 — глубина от земной поверхности до верхней границы метановых газов, м (принята равной 20 м).

Доразведка нижних горизонтов, произведенная в 2009 г. с отбором проб угля на его газоносность из пластов 57—49 с последующей обработкой полученных данных, подтвердила эту зависимость, но статистическая информация из более 70 пластоопределений газоносности позволила скорректировать численное значение коэффициента «к» в формуле (1) для всей свиты пластов, в том числе и для пласта 52 (рисунок 1). Коэффициент к= 0,037.

Выемочный участок лавы 5203 отработан в период с марта по сентябрь 2008 г. Вынимаемая мощность пласта — 4,3—4,4 м, среднемесячное под-вигание линии очистного забоя в активный период работы лавы — 340—420 м/мес, среднесуточная добыча угля — 10000—26000 т/сут (в отдельные сутки

— до 30000 т/сут). При поступающем к очистной выработке расходе воздуха, в среднем равном 2185 м3/мин без содержания метана, и выходящем из нее воздухе с расходом 1900 м3/мин и концентрацией метана 0,8 % метановыделение из лавы составляло 15,2 м3/мин, а на выходе из участка — 10—12,5 м3/мин, что

обусловлено работой дегазационной системы.

Для снижения метанообильности выработок выемочного участка с земной поверхности были пробурены 54 вертикальные скважины, которые пере-буривали подрабатываемые лавой пласты угля и вмещающие породы, а также разрабатываемый пласт 52. Диаметр вертикальных скважин на конечном их участке составлял 159—219 мм. В работе находились 2 скважины: одна сообщена с вакуум-насосом ВВН-50, другая — с ВВН-150. Расстояние между скважинами 45—55 м. Кроме того, по вентиляционному штреку 5203, погашаемому за лавой, был проложен дегазационный трубопровод диаметром 325 мм, который был сообщен через вертикальную скважину №55, пробуренную на вентиляционный штрек в интервале между путевым и конвейерным стволами, с вакуумным насосом ВВН-150.

Средние показатели работы вертикальных скважин, сообщенных с вакуум-насосом ВВН-50, составляли 17,6 м3/мин метана при расходе каптируемой газовоздушной смеси 44 м3/мин с концентрацией метана 40 %. При отсосе газа из выработанного пространства лавы через вертикальные скважины вакуум-насосом ВВН-150 дебит каптированного метана составлял 24,5 м3/мин при расходе газовоздушной смеси 98 м3/мин с концентрацией метана 25 %. Метановы-деление из проложенного трубопровода по вентиляционному штре-ку, сообщенного с вакуум-насосом ВВН-150, составляло 1,23 м3/мин при расходе газовоздушной смеси 123 м3/мин с концентрацией метана 1 %.

Динамика добычи угля из лавы 5203 в течение марта-сентября 2008 г. и аэро-

логические показатели лавы приведены в таблице 2.

Динамика среднесуточной угледобычи и средние показатели метановыделе-ния в очистной выработке и на выемочном участке лавы 5203 (без учета дегазации) сведены в табл. 3.

Дегазационной системой при работе передвижной наземной вакуум-насосной станции (ПНВНС) из выработанного пространства лавы 5203 извлекалось от 9,8 до 22 м3/мин метана. Концентрация метана в каптируемой вертикальными скважинами газовоздушной смеси, равной 38 м3/мин, изменялась в пределах 28—58 % (объемных).

По фактическим данным установлена линейная зависимость интенсивности метановыделения в очистной выработке и на выемочном участке от среднесуточной добычи угля в пределах 10—26 тыс. тонн (рис. 2): маленькие точки характеризуют метановыделение в исходящей струе воздуха из очистной выработки, большие — в исходящем потоке воздуха выемочного участка.

Математически процесс метановыде-ления (/, м3/мин) в выработки выемочного участка лавы 5203 от среднесуточной производительности лавы (Ас, т/сут) описывается эмпирической формулой

Т = 2,59-10-4 А + 3. (2)

Аналогичная зависимость Т = f (Ас) установлена в условиях лавы 5207, находящейся в работе, которая описана формулой

Т =1,92-10-4 Ас + 3,5. (2')

Эти зависимости аналогичны ранее установленным [1, 2].

Применительно к условиям отработки пласта 52 лавой 5203 определены

Таблица 2

Динамика добычи угля и аэрологические показатели лавы 5203

Показатели Месяцы 2008 года

3 4 5 6 7 8 9

Добыча, тыс. т 262 495 601 559 480 472 480

Месячное подвигание лавы, м 185 365 420 405 350 340 345

Расход воздуха (м3/мин) и концентрация 2350* 2253 2230 2180 1920 1950 2100

метана на исходящей струе участка, % (объемных) 0,5 0,5 0,45 0,56 0,65 0,6 0,5

Расход воздуха и концентрация метана на ВВН-150 (трубопровод верхнего кутка) 80^ 1,2 90 1,1 95 1,0 105 1,1 105 1,1

Числитель — расход воздуха (м3/мин), знаменатель — концентрация метана, %.

Таблица 3

Показатели среднесуточной добычи угля и интенсивности метановыделения в лаве 5203

Месяц Добыча угля, Расход воздуха на Абсолютное метановыделение, м3/мин

т/сут участке, м3/мин в лаве на участке

Март 10118 2350 5,48 11,15*5

Апрель 26100 2157 9,46 9,88

Май 14323 2123 7,61 7,08

Июнь 19060 2060 6,74 6,33

Июль 19620 2100 5,57 7,73

Август 19235 2100 3,96**) 7,74

С учетом метановыделения после первичной посадки основной кровли; На завершаемом этапе работы лавы.

численные величины Lmax для сближенных пластов 53, 56, 57 и 58 вдоль центра выемочного столба при скорости подви-гания лавы, равной 13,85 м/сут (табл. 4). На рисунке 3 согласно РД-15—09—2006 [3] показаны границы разгрузки подрабатываемых пластов от вентиляционного штрека и линии очистного забоя в координатах междупластий М (м) и величины Lmax (м) в плоскости подрабатываемых пластов 53, 56, 57 и 58 (снизу вверх от пласта 52).

Из рис. 3 и табл. 4 видно, что при угле разгрузки пород кровли, сложенных преимущественно алевролитами, равном 55°, зоны разгрузки сближенных пластов угля вблизи вентиляционного штрека 5203 находятся от линии очист-

ного забоя за пределами 30 м (пласт 53), 82 и 92 м (соответственно пласты 56 и 57) и 126 м (пласт 58), а зоны максимальных величин метановыделения в дегазационные скважины, пересекающих упомянутые пласты, — в интервалах 50,3; 137,1; 153,8 и 210,2 м от линии очистного забоя, движущегося со средней скоростью 13,85 м/сут. В связи с этим, вертикальные дегазационные скважины, пробуренные в зону пласта 52 на расстоянии 25—30 м от вентиляционного штрека 5203, способны улавливать газ из пласта 53 только вблизи призабойного пространства лавы, тем более, что в работе находились только 2 ближайшие к очистному забою скважины.

I, м3/мин 12-

4*

••

10-103

20-10

Ас, т/сут

Рис. 2. Зависимость интенсивности метановыделения в лаве 5203 от среднесуточной добычи угля

Таблица 4

Исходные данные для расчета величины Lmax для сближенных подрабатываемых пластов

Индекс угольного пласта Междупластье, м Мощность пласта, м Скорость подвигания лавы, м/сут Численное значение Lmax , м

52 0 4,38 13,85

53 45 1,5 — 50,3

56 128 0,45 — 137,1

57 144 2,05 — 153,8

58 198 4,4 — 210,2

Зона максимального метановыделения из надрабатываемого пласта 51 определена по формулам РД-15—09—2006 при следующих исходных данных: мощность междупластья между пластами 52 и 51 — М=39 м, мощность пласта

51 — т=1,88 м, скорость подвигания очистного забоя — 13,85 м/сут.

Расчеты показали, что максимально метановыделение из пласта 51 в выработанное пространство лавы 5203 происходит на расстоянии 71,7 м от линии очистного забоя. Это свидетельствует о том, что только вторая от очистного забоя вертикальная дегазационная скважина (из 2-х скважин, находящихся в работе) может частично улавливать метан, выделяющийся

из пласта 51 в выработанное пространство действующей лавы.

Зоны максимального метановыделения из подрабатываемых и надрабатываемого пластов угля в выработанное пространство лавы 5203 в первый месяц ее работы, когда отмечается первый шаг обрушения пород кровли, сведены в табл. 5 и 6.

Сопоставление величины зоны интенсивного метановыделения, отсчитываемой от линии очистного забоя (см. табл. 5), и численного значения отхода забоя лавы от монтажной камеры (см. табл. 6) свидетельствует о следующем:

• первичная разгрузка сближенных пластов 53 и 51, оцененная по расчетной величине зоны интенсивного метановы-деления из них в выработанное про-

Рис. 3. Зоны разгрузки от горного давления подрабатываемых пластов угля Таблица 5

Результаты определения зон максимального метановыделения из сближенных пластов в выработанное пространство лавы 5203

Индекс пласта Междупластье от разрабатываемого пласта 52, м Средняя скорость подви-гания лавы, м/сут Зона интенсивного метановыделения от очистного забоя,м

58 198 96,4

57 144 71,0

56 128 63,5

53 45 24,5

52 0 6,43 -

51 39 26,2

странство в начальный период работы лавы, отмечена на расстояниях от линии очистного забоя 24,5—26,2 м (см. табл.

5), а значительное в 1,52 раза повышение интенсивности метановыделения на выемочном участке произошло на 5-е сутки работы лавы, забой которой продвинулся от монтажной камеры на расстояние 32,2 м (см. табл. 6);

• первичная разгрузка подрабатываемого пласта 56, определенная аналогично по протяженности зоны интенсивного метановыделения, произошла на расстоянии от линии очистного забоя 63,5 м (см. табл. 5), а прирост метановыделения в 1,35 раза на исходящей из участка струе воздуха — на расстоянии 51,4 м от монтажной камеры на 8-й день работы лавы (см. табл. 6);

Таблица 6

Интенсивность метановыделения на выемочном участке лавы 5203

Продолжительность Отход забоя ла- Интенсивность метановыделе- Коэффициент

работы лавы, сут вы от монтажной ния, м3/мин прироста метановы-

камеры, м в день средняя за пре- деления

наблюдения дыдущий период

Выемочный участок

5 32,2 16,67 11,0 1,52

8 51,4 15,54 11,47 1,35

14 90,0 12,72 10,45 1,22

18 115,7 13,2 9,98 1,32

1 2 3 4 5

Очистная выработка

8 51,4 1,47 0,94 1,56

9 57,9 3,58 1,47 2,44

17 109,3 4,08 1,83 2,23

20 128,6 13,2 3,1 4,25

• первичная разгрузка подрабатываемого пласта 57 по данным расчета местоположения зоны интенсивного мета-новыделения спрогнозирована на расстоянии от очистного забоя 71,0 м (см. табл. 5), в то время как прирост фактически измеренного метановыделения на выемочном участке в 1,22 раза отмечен на расстоянии 90 м от монтажной камеры на 14-е сутки работы лавы (см. табл.

6);

• первичная разгрузка подрабатываемого пласта 58 по данным таблицы 5 произошла на расстоянии от очистного забоя, равного 96,4 м, а по приросту в 1,32 раза измеренного метановыделения на выемочном участке — на расстоянии от монтажной камеры 115,7 м (см. таблицу 6), т.е. на 18-е сутки работы лавы по добыче угля;

• прирост интенсивности метановы-деления из разрабатываемого и сближенных пластов угля в очистную выработку в течение 20 суток повышался в отдельные периоды в 2,56—4,25 раза, причем с ростом темпа прироста мета-новыделения.

Приведенные в табл. 5 и 6 данные требуют в дальнейшем более глубокого теоретического анализа.

Рекомендации по выбору способов и параметров дегазации подрабатываемой

угленосной толщи над пластом 52 на примере лавы 5203 при использовании вертикальных скважин заключаются в следующем:

• при угле разгрузки у пород кровли, принятом равным 55°, междупластьи М=45 м от пласта 52 до подрабатываемого пласта 53, газоносность которого 9,8 м3/т с.б.м, вертикальные дегазационные скважины предпочтительно располагать таким образом, чтобы скважина пересекала пласт 53 на расстоянии (Ъв, м) от вентиляционного штрека, рассчитанном по Рекомендациям РД-15—09—2006 (Ъв = 33,3 м), и принимаемом с учетом резерва равным 38—40 м;

• при расстоянии между пластами

52 и 53, равном 43 м, вынимаемой мощности разрабатываемого пласта 4,3 м и управлении кровлей полным обрушением вертикальную скважину нецелесообразно бурить до непосредственной кровли пласта 52. Ею необходимо перебурить пласт 53 на 5—10 м ниже его почвы, а обсадную трубу вертикальной скважины перфорировать вблизи пласта 53;

• расстояние между вертикальными скважинами для дегазации пласта 53 и выработанного пространства (пласт 53 находится в зоне обрушения пород кровли и их трещиноватости) при по-

следующем шаге обрушения пород основной кровли 30 м принимать равным

90 м;

• по центральной оси вдоль выемочного столба целесообразно дополнительно бурить вертикальные дегазационные скважины с расстоянием между ними 150 м, так как пласт 51 интенсивно разгружается от горного давления по всей надрабатываемой лавой площади, а выше пласта 52 находятся газоносные пласты 56 и 57, разгружаемые от горного давления ближе к центральной оси вдоль вынимаемого столба;.

• режимы работы вертикальных дегазационных скважин и их параметры должны соответствовать требованиям РД-15—09—2006, чтобы извлекать кондиционные по метану газовоздушные смеси, пригодные для утилизации.

Выводы

1. Методические положения по выбору и применению новых технологий дегазации и управления метановыделением на угольных шахтах. — Люберцы. HHU, ГП-ИГД им. А.А. Скочинского, 2000. — 116 с.

2. Методические основы проектирования дегазации на действующих и ликвидируемых шахтах / B.C. Забурдяев, А.Д. Рубан, Г.С. За-

1. Установлена зависимость газоносности пласта 52 от глубины его залегания и глубины верхней границы метановых газов от земной поверхности горного отвода шахты «Котин-ская».

2. Выявлена связь между интенсивностью метановыделения на высокопроизводительном выемочном участке пласта 52 и объемами добытого угля в очистном забое, которая позволяет прогнозировать метанообильность очистной выработки и выемочного участка в условиях выполнения работ по дегазации подрабатываемого пласта 53 и выработанного пространства.

3. Обосновано местоположение зон максимального метановыделения из подрабатываемых и надрабатываемого пластов в выработанное пространство высокопроизводительного выемочного участка лавы 5203 и в вертикальные дегазационные скважины.

------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

бурдяев и др. — М.: ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского, 2002. — 316 с.

3. 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. шгЛ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -------------------------------------------------------------

Забурдяев B.C. — доктор технических наук,

Новикова И.А. — горный инженер,

Институт проблем комплексного освоения недр РАЫ, info@ipkonran.ru Сметанин В.С. — горный инженер, шахта им. С.М. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс».