CC BY
37
НА
В &
* ж Н
М.С. Плаксин
канд. техн. наук, научный сотрудник ИУ СО РАН
УДК 622.817.4
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕР ПО СНИЖЕНИЮ ГАЗОВОЙ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК
Рассматриваются основные аспекты внедрения ориентированного поинтервального гидроразрыва угольного пласта при проведении подготовительных выработок по высокогазоносным пластам.
Ключевые слова: УГОЛЬНЫЙ ПЛАСТ, ПОДГОТОВИТЕЛЬНАЯ ВЫРАБОТКА, ДЕГАЗАЦИЯ, МЕТАН, УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ, ОРИЕНТИРОВАННЫЙ ПОИНТЕРВАЛЬНЫЙ ГИДРОРАЗРЫВ
Повышение рентабельности добычи угля является одной из главных задач, стоящих перед угольными компаниями. В значительной мере этому способствует внедрение современного высокопроизводительного оборудования для ведения добычи угля и проведения оконтуривающих выработок. С интенсификацией процесса угледобычи закономерно и ускорение процесса «углубления» горных работ.
С увеличением глубин отработки и производительности горного оборудования повышается опасность, связанная с газовым фактором. И уже его влияние становится одним из главных сдерживающих факторов повышения производительности шахт.
Производительность шахты напрямую зависит от темпов подвигания подготовительных и очистных забоев. Наблюдаемый в последние десятилетия рост производительности очистных забоев привел к необходимости повышения объемов проведения подготовительных выработок. Увеличение длин очистных забоев до 300 м лишь частично решило данную проблему. Главным препятствием на пути повышения темпов подвигания подготовительных забоев являются проблемы связанные с метаном: обильное газовыделение в атмосферу выработки из угля и вероятность возникновения опасных газодинамических явлений, в частности, внезапных вы-
бросов угля и газа.
При проведении подготовительных выработок в качестве метода контроля газодинамической опасности используется метод текущего прогноза, а в качестве мер по снижению газовой и газодинамической опасности применяется бурение барьерных и (или) веера разгрузочно-де-газационных скважин. К основному недостатку применения барьерных скважин можно отнести их малую эффективность вследствие низкой продуктивности дегазационных скважин в целом [1]. К основному недостатку применения веера разгрузочно-дегазационных скважин можно отнести негативное влияние, оказываемое на продолжительность рабочего цикла. Более того, в качестве одной из основных рекомендаций по безопасному проведению выработок по высокогазоносным пластам является ограничение темпов их подвигания. Таким образом, совершенствование мероприятий по снижению газовой и газодинамической опасности угольного пласта при проведении подготовительных выработок позволит значительно повысить темпы безопасного проведения выработок по высокогазоносным пластам.
Отметим, что очистные работы в отличие от проведения одиночной выработки в части контроля и мер по снижению газового потенциала пласта имеют ряд преимуществ [2, 3]:
- возможность применения геофизическх
1_5
II,?
Л 1 У
5 НиЯ
1.1 шин
I т Н1)й
1\ н«ч Дчтч,суг г^кпя
Рисунок 1 - Изменение концентрации метана в забое подготовительной выработки в условиях: Н = 400 м (глубина проведения выработки); X = 21 м3/т (газоносность пласта); V = 120 м/мес (скорость подвигания выработки); Q = 540 м3/мин, (количество подаваемого воздуха)
методов прогноза зон повышенной газовой и газодинамической опасности пласта [4];
- наличие продолжительного периода на проведение мероприятий по дегазации выемочного столба;
- частичная дегазация пласта оконтурива-ющими выработками;
- наличие вариантов по снижению мета-нообильности, например, с помощью газоотса-сыващих установок для удаления метана через выработанное пространство или с помощью пробуренных с поверхности в купол обрушения скважин;
- управление горным давлением, например, путем гидроразрыва пород кровли [5].
В части подготовительных забоев отметим следующее.
Под газовой проблемой подземной добычи угля подразумевается вероятность превышения предельно допустимой концентрации (ПДК) метана в атмосфере выработки и, тем самым, вероятность его воспламенения и взрыва. С оснащением шахт электронными системами аэрогазового мониторинга возникла задача объективности оценок случаев превышения ПДК. Нередко компьютер по соответствующему запросу выдает график концентрации метана с периодичностью в несколько секунд. При этом не учитывается, что инерционность датчика составляет 10 секунд. Следовательно, с учетом флуктуаций аэрогазового потока объективность оценок концентрации газа возможна лишь по средним значениям минимум за 30 секунд. На рисунке 1 представлен график изменения концентрации метана по данным забойного датчика, полученным при проведении подготовительной выработки, с частотой съема данных до 15 и более значений в минуту. Из графика видно,
что если ориентироваться по средней за многосуточный период концентрации (пунктирная линия, рис. 1), то запас для достижения ПДК в 1 % значительный. С другой стороны если оперировать фактическими данными, то, во-первых, за представленный на рисунке 1 период имеем более 10 случаев превышения ПДК, а во-вторых, можем отследить, в дальнейшем и прогнозировать, динамику метанообильности движущегося забоя.
Рассмотрим газогеомеханические причины этой динамики.
Взятие очередной заходки проходческим комбайном приводит к «перемещению» границы зоны неупругих деформаций вглубь массива (рис. 2), данному моменту соответствует максимальное газоистощение значительной массы угля в призабойную атмосферу выработки.
■ - граница выработки;----изменение границы выработки в результате взятия заходки;--граница зоны неупругих деформаций в окрестности выработки;----изменение границы зоны неупругих деформаций в окрестности выработки в результате взятия заходки
Рисунок 2 - Схема расчета изменений напряжений в приконтурной части подготовительной выработки (вид сверху)
Рисунок 3 - Суточное изменение газоносности призабойной части пласта в результате взятия заходки проходческим комбайном: зона 1 - разрушенный комбайном, транспортируемый уголь; зона 2 - изменение газоносности пласта впереди забоя в результате подвигания забоя
С использованием разработанного В. И. Мурашовым алгоритма [6] для расчета напряжений в приконтурной части пласта и исходя из общих представлений о содержании метана в пласте [7] была произведена оценка изменения газоносности по направлению подвигания забоя (рис.2) [8]. Отбиваемый комбайном уголь в зоне 1 (рис. 3) имеет максимальную газоотдачу, поскольку достаточно быстро снижаются напряжения с образованием большой площади свободной поверхности разрушенного угля. Несколько иная картина наблюдается в зоне 2 (рис. 3), здесь даже при интенсивном изменении напряжений газоистощение распределено во времени вследствие особенностей развития фильтраци-онно-диффузионного движения потока газа к обнаженной поверхности пласта.
Как один из вариантов предупреждения загазованности атмосферы выработки - снижение газового потенциала призабойной части пласта до момента взятия заходки комбайном, но с минимальным влиянием на темпы подвига-ния подготовительного забоя (рис.3) .
Снижение газодинамической опасности при проведении подготовительных выработок.
Механизм формирования газодинамического явления предопределяется устойчивостью призабойной зоны с одной стороны, а с другой силами газового и горного давления [9]. В связи с «непредсказуемостью» реакции горного и газового давления в зонах тектонической на-рушенности массива и динамики его разгрузки, при подходе и пересечении выработками этих зон требуется повышенный контроль газодинамической активности угольного пласта. Как уточнение, например, чрезмерно-интенсивная разгрузка призабойной части пласта может привести с одной стороны к снижению устойчивости этой части, а с другой к образованию дополни-
тельных свободных поверхностей в виде расширяющихся микропор, развития существующих и образования новых трещин. В результате при недостаточной газопроницаемости призабойной части пласта будет нарастать в ней давление свободного газа, что может привести к реализации внезапного выброса.
Как один из вариантов возможного решения по снижению газодинамической опасности при проведении подготовительных выработок -создание магистральных каналов (трещин) способствующих свободной миграции газа из призабойной части.
Разработка мероприятий по снижению газовой и газодинамической опасности.
Интенсифицировать процесс газоистощения призабойной части пласта с целью снижения газовой и газодинамической опасности возможно путем проведения с некоторым неснижае-мым опережением поинтервального ориентированного гидроразрыва пласта через барьерные дегазационные скважины (рис.4). Представленная схема проведения гидроразрыва (рис.4) рекомендуется для пластов в своей основе состоящих из углей преимущественно с текстурой ненарушенной или брекчевидной. Если пласт представлен в значительной мере землянисто-зернистым или землистой структурой угля [9], то количество скважин гидроразрыва необходимо увеличить, в том числе за счет скважин пробуренных из забоя выработки.
Общий процесс поведения мероприятия по проведению ориентированного гидроразрыва пласта через барьерные скважины следующий (рис. 4):
1. Бурение контрольной скважины
2. Бурение барьерных скважин, доставка пакера к забою скважины.
3. Проведение гидроразрыва угольного пласта. Гидроразрыв считается успешно выпол-
Рисунок 4 - Технологическая схема применения ориентированного направленного гидроразрыва при проведении подготовительных выработок по высокогазоносным угольным пластам:1 - барьерная скважина; 2 -
контрольная скважина; 3 - дегазационный трубопровод
ненным, если в результате создания направленной щели из контрольной скважины началось истечение жидкости.
4. Повторение операции 3 по всей длине скважин.
5. Подключение скважин к дегазационному трубопроводу.
Рассмотрим подробнее влияние гидроразрыва на газовую и газодинамическую обстановку в призабойной зоне угольного пласта (рис.5). На рисунке 5 размеры стрелок условно отражают протяженность и направление газового потока в сторону ближайшей обнаженной поверхности, а также величину газового давления. Дегазационный эффект от применения барьерных скважин мал (рис. 5,а) [1], тогда как создание серии распределенных в массиве трещин (рис.5,б) с общей поверхностью в разы превышающих площадь поверхности барьерной скважины должно существенно изменить ситуацию. Применение гидроразрыва позволит снизить повышенное давление свободного газа в призабойной части пласта, а подключение скважин к газопроводу позволит удалять из приконтурной части пласта значительную часть газа, минуя атмосферу выработки.
Контроль уровня газодинамической
опасности при проведении выработок по высокогазоносным угольным пластам.
Использование гидроразрыва угольного пласта при проведении подготовительных выработок (рис. 5) не может гарантировать полную безопасность в части проявления внезапных выбросов. Поэтому, необходимо контролировать изменение горного и газового давления в при-забойной части пласта в процессе проведения подготовительной выработки, особенно в зонах его тектонической нарушенности. Анализ результатов прогноза выбросоопасности за последние десятилетия показал, что подготовительные выработки, проводимые по потенциально выбросо-опасным участкам угольных пластов, составляют не более 10 % от общей их протяженности [10]. Следовательно, необходимо внедрять методы контроля, позволяющие заблаговременно определять приближение забоя выработки к зонам тектонической нарушенности пласта. А непосредственно при проведении выработки в границах зоны тектонической нарушенности принимать повышенные меры безопасности.
Выше отмечено, что в настоящее время, шахты оснащаются современными электронными системами аэрогазового контроля (АГК), которые регистрируют с выводом на поверхность
Рисунок 5 - Технологические схемы дегазации пласта при проведении подготовительных выработок (вид сверху): а) нормативная; б) с применением гидроразрыва; 1 - дегазационные скважины; 2 - трещины
гидроразрыва; 3 - буровая ниша
информацию о концентрации метана и скорости воздушной струи в выработке. Используя эти данные в режиме реального времени можно определять динамику изменения метанообиль-ности с целью контроля уровня газодинамической активности угольного пласта при проведении подготовительных выработок [8, 11, 12]; а также вести расчеты объемов газа с целью оценки эффективности дегазационных мероприятий [13]. Например, расчеты [8] показывают, что при входе выработки в зону тектонического нарушения приток метана при подвигании забоя на 0,8 м возрастает до 10 % в зависимости от угла входа выработки относительно плоскости сместителя и средневзвешенного значения коэффициента крепости угля в пределах сечения выработки.
В качестве метода оценки изменения горного давления можно использовать метод акустической эмиссии [14], основанной на регистрации импульсов акустической эмиссии, генерируемых при образовании и развитии трещин в массиве. Для повышения надежности оценки газодинамической активности угольного пласта целесообразно дополнить его результатами контроля динамики метанообильности и, тем самым, исключить наиболее опасные ситуации, когда в призабойной части пласта идет интенсивное образование трещин, преимущественно параллельных забою без существенного роста метанообильности выработки.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Родин, Р. И. Эффективность дегазации шахт Кузбасса / Р.И. Родин // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - Кемерово, 2011. - №2. - С. 116-119.
2. Полевщиков, Г. Я. Повышение эффективности комплексного управления газовыделением на выемочном участке шахты / Г.Я. Полевщиков, Е.Н. Козырева, М.В. Шинкевич // Вестник Научного центра
по безопасности работ в угольной промышленности. - Кемерово,2012. - № 2. - С. 20-26.
3. Козырева, Е. Н. Взаимосвязи основных особенностей процессов разгрузки и сдвижения вмещающих пород с динамикой выделения метана из разрабатываемого пласта при его отработке длинными выемочными столбами / Е. Н. Козырева, М. В. Шинкевич // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2006. - № 6. - С. 17-19.
4. Рудаков, В. А. Геофизические методы исследования геомеханического состояния угольных массивов / В. А. Рудаков, Л. П. Белавенцев, П. В. Потапов [и др.] // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2006. - № 2. - С. 14-19.
5. Клишин, В.И. Метод направленного гидроразрыва труднообрушающихся кровель для управления горным давлением в угольных шахтах / В. И. Клишин, А. М. Никольский, Г. Ю. Опрук, А. А. Неверов, С. А. Неверов // Уголь,- 2008. -№ 11.-с. 12-16.
6. Мурашев, В.И. Расчетный метод определения выбросоопасности подготовительных и очистных выработок / В.И. Мурашев, В.Л. Бульбенко, В.Г. Лопаткин // Сб. науч. тр. ВостНИИ. - Кемерово, 1972. - С. 104-110.
7. Малышев, Ю.Н. Фундаментально-прикладные методы решения проблемы угольных пластов / Ю.Н. Малышев, К.Н. Трубецкой, А.Т. Айруни. - М.: ИАГН, 2000 - 519 с.
8. Разработка метода оценки газодинамической активности угольного пласта при проведении подготовительных выработок / Плаксин М.С.: Автореф. дис. канд. техн. наук. - Кемерово, - 2012. - 24 с.
9. Пузырев, В.Н. Газодинамические явления в шахтах: учеб. пособие / В. Н. Пузырев. - Кемерово: ГУ КузГТУ, 2005. - 130 с.
10. Временная методика текущего прогноза газодинамической опасности при проведении подготовительных выработок по угольным пластам: Утв. 13.02.97 / В.С. Зыков, В.С. Лудзиш, В.С. Черкасов, В.А. [и др.]. - Кемерово: ВостНИИ, 1996. - 16 с.
11. Полевщиков, Г.Я. Адаптивный автоматизированный прогноз газопоявлений на выемочном участке / Г.Я. Полевщиков, В.Т. Преслер, А.В. Гарнага // Природные и интелектуальные ресурсы Сибири: Тезисы докладов международной научно практической конференции. - Кемерово,1997. - С.112-116.
12. Хейфец, А.Г. Разработка автоматизированного способа прогноза выбросоопасных зон и контроля эффективности способов предотвращения выбросов в подготовительных выработках шахт Карагандинского бассейна / А.Г. Хейфец, Р.Р. Ходжаев, А.В. Антонов [и др.] // Внезапные выбросы угля и газа, рудничная аэрология: Науч.сообщ. Ин-т. горн. Дела им. А.А. Скочинского. - М., 1992. - С. 96-100.
13. Инструкция по дегазации угольных шахт // Приказ Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору №679 от 1 декабря 2011 г. - М., 2011.- 147 с.
14. Предупреждение газодинамических явлений в угольных шахтах: Сборник документов. Серия 05. Выпуск 2 / Колл.авт. - 4-е изд., испр. - М.: ЗАО «Научно-технический центр исследования проблем промышленной безопасности», 2011. - 304 с.
REDUCTION OF GAS AND GAS DYNAMIC DANGER MEASURES IMPROVEMENT AT PREPARATION MINING WORKS
Plaksin M.S.
The main aspects of aimed interval standardized coal seam hydraulic fracturing at preparation galleries heading in high gas containing seams are reviewed.
Key words: COAL SEAM, PREPARATION GALLERY, DEGASSING, COAL SEAM METHANE, AIMED INTERVAL STANDARDIZED HYDRAULIC FRACTURING
Плаксин Максим Сергеевич e-mail: plaksin@bk.ru
