Дегазация разрабатываемого пласта -эффективный способ повышения производительности и безопасности работ в метанообильных шахтах Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Г орный информационно-аналитический бюллетень

СЕМИНАР 3

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА: І

99”

МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99

В.С. Забурдяев, 2000

УДК 622.817.9:661.184.35:658.5:622.86 В.С. Забурдяев

ДЕГАЗАЦИЯ РАЗРАБАТЫВАЕМОГО ПЛАСТА -ЭФФЕКТИВНЫЙ СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ РАБОТ В МЕТАНООБИЛЬНЫХ ШАХТАХ

О,

пыт дегазации неразгруженных пластов угля подземными скважинами, накопленный в России, Казахстане, на Украине, а также в Австралии, КНР и других угледобывающих странах мира, свидетельствует о том, что, во-первых, эффективность традиционно применяемой на шахтах СНГ схемы дегазации угольных пластов параллельноодиночными скважинами составляет 5-20% [1-5], во-вторых, схема дегазации пласта перекрещивающимися скважинами в тех же условиях эффективнее традиционной в 1,5-2,5 раза, причем эффект от ее применения выше на выбросоопасных пластах [2,3], в-третьих, отечественная техника подземного бурения пластовых скважин не обеспечивает равномерного обуривания угольного массива на выемочных полях, ширина которых превышает 150 м, в то время как зарубежная техника, например, в Австралии [6], в состоянии направленно бурить скважины длиной до 7001000 м и более; в-четвертых, с углублением горных работ снижается газоотдача массива угля в скважины, что ставит перед учеными задачу активного поиска новых способов и средств интенсификации процессов пластовой дегазации и совершенствования известных способов для широкомасштабного их внедрения на глубоких шахтах РФ; в-пятых, вопросы параметров дегазации разрабатываемых пластов скважинами и последующего их увлажнения в России глубоко не исследованы, а действующие ныне нормативы по этим вопросам [1, 7] не стыкуются, а порой и противоречат друг другу; в-шестых, в 90-х годах в Российской Федерации нарушилась традиционно существовавшая ранее в СССР тесная связь горной науки с производством, что отразилось на эффективности дегазационных работ и на аварийности в угольных шахтах.

Последствия нерешенных в угольной отрасли научнотехнических проблем, упомянутых в 6 перечисленных выше пунктах, и пути решения остро наболевших вопросов попытаемся осветить на примере дегазации пласта 14 в условиях шахт «Зыряновская» и «Абашевская» (АО УК «Кузнецк-уголь»), где глубина горных работ составляет 300-400 м, метаноносность пласта - 14-16 м3/т, мощность пласта - 1,41,5 м, крепость угля по М.М. Протодьяконову - 1,3, выход

летучих веществ - 35,1%.

Эффективность дегазационных работ при отработке пласта 14 оценивалась двумя методами: 1) по действующим ныне в отрасли нормативным документам [1, 8] и 2) с учетом достижений науки за последнее десятилетие, не вошедших в нормативы [2, 4].

По первому методу оценка эффективности дегазации выполнена по средним показателям метановыделения на выемочном участке, т.е. в соответствии с Руководством [1]. Необходимость применения дегазации оценивалась по критической величине среднего за сутки метано-

выделения I к^ч , при которой необходимо

проводить работы по дегазации источников метановыделения. Эта величина метановы-деления определялась по формуле

I

уч 0,07 Qy4 ■ С ;

м3/мин

(1)

где Qyч - расход воздуха, подаваемого на выемочный участок, м3/мин; с - норма содержания метана на исходящей участка в соответствии с ПБ, %.

Затем величина

I

уч

сопоставлялась с фактической

1Ф

уч

(или прогнозной) величиной метанообильности на

участке.

Если

іф > ік

уч уч

(2)

то необходимы мероприятия по снижению метановыделе-ния в выработки выемочного участка.

Так, например, в условиях лавы 14-01 (шахта «Зыряновская») при прямоточной схеме проветривания с подсвеже-нием исходящей из лавы струи воздуха величина критического метановыделения составила

1^ч = 0,07 (1305 + 552) • 1 = 13,0 м3/мин.

Г азовая ситуация на подготавливаемых к отработке выемочных участках оценивается по прогнозной величине относительной метанообильности участка. Последняя в условиях пласта 14 рассчитывалась для случаев, когда: а) отработка пласта 14 производится после отработки пласта 15 и б) отработка пласта 14 осуществляется первым в ближайшем окружении пластов, т.е. пласты 15 и 13 не отработаны.

Метановыделение на участке пласта 14 при суточной добыче угля из лавы 1560 т (5 полос угля) и 1870 т (6 полос угля) приведено в табл. 1.

В первом случае, когда пласт 15 отработан, при абсолютной метанообильности выемочного участка, равной 13,4 м3/мин, и 40%-ой доле выработанного пространства в газовом балансе участка для поддержания нормального газового режима в выработках лавы наряду с вентиляцией вполне будет достаточным применить либо газоотсос с помощью

ВМЦГ-7, широко используемый на шахтах Кузбасса [8, 9], либо дегазацию разрабатываемого пласта 14 или надраба-тываемого пласта 1З скважинами, пробуренными из действующих выработок [1].

Во втором случае, когда пласт 14 отрабатывается первым, без комплекса мер по снижению метанообильности участка не обойтись. Нужна будет дегазация разрабатываемого пласта 14, дегазация сближенных пластов 15 и 1З, га-зоотсос с помощью ВМЦГ-7.

Способ снижения метанообильности участка с помощью ВМЦГ-7 прост в реализации, но он не исключает формирования взрывоопасных концентраций метана в выработанном пространстве [10, 11]. Дегазация же угольных платов может быть эффективной лишь при наличии на шахтах хорошей техники для подземного бурения скважин и при правильно выбранных способах и параметрах дегазации источников метановыделения.

Так, в лаве 14-01 (шахта «Зыряновская»), где в декабре 1997 г. произошла крупная авария, газоотсос был принят в качестве основного мероприятия по снижению метано-обильности участка, а дегазация пласта 14 - вспомогательного, что согласуется с действующими нормативными документами [1, 8].

По второму методу применительно к той же прямоточной схеме проветривания с подсвежением исходящей из лавы вентиляционной струи воздуха определялась необходимая эффективность дегазации разрабатываемого пласта, при которой возможна по газовому фактору безаварийная работа комбайна. Сначала с учетом сечения (S, м2) призабойного пространства лавы, скорости ( v , м/с ) воздушного потока, допустимого ПБ содержания метана (с, %) и производительности комбайна (j, т/мин) рассчитывалась допустимая по условиям проветривания метанообильность (qE, мЗ/т) призабойного пространства лавы

0,6vSc З

qu = --------, м /т (З)

J

а затем необходимая эффективность дегазации пласта -

kd

дег.пл

= 1 -

доли ед.

(4)

где qm - метановыделение из разрабатываемого пласта, являющегося основным источником формирования метано-обильности призабойного пространства лавы при прямоточной схеме проветривания с подсвежением, мЗ/т.

Чтобы обеспечить суточную добычу угля при меньшем количестве остановок комбайна из-за превышений метана в исходящем из лавы потоке воздуха и достижимой была необходимая эффективность дегазации пласта, надо отбойку угля производить при невысокой производительности комбайна, но при максимально возможном времени его работы [12].

Так, при j=2 т/мин, v=4м/с, S=4,5 м2 и с=1% значение qE составит 5,4 мЗ/т , а при рассчитанной по Руководству [8] метанообильности призабойного пространства лавы ( q^ = 7,З мЗ/т ) необходимая эффективность дегазации пласта при суточной добыче угля, равной 1560 т, должна составить 0,26.

В том случае, когда требуется оценить возможные величины суточной добычи угля в лаве по метану, то к учету до-

полнительно принимаются такие факторы, как метанонос-ность пласта в зоне выемки угля, оцениваемая коэффициентом ке естественной дегазации угольного массива впереди забоя лавы, и метаноносность хо.у отбитого угля, выдаваемого за пределы призабойного пространства. В этом случае последовательно определяются степень дегазации пласта к д пл (уровень снижения метаноносности) и эффективность дегазации пласта кдег Пл (уровень снижения ме-тановыделения) по формулам

1 , qm ^ хо.у

kd.m = 1 -

keX

доли ед.

k

kd

дег.пл '

д.пл

доли ед.

(5)

(6)

1 -

При упомянутых выше показателях пласта 14 и параметрах призабойного пространства лавы 14-01 (шахта «Зыряновская») для бесперебойной по фактору метана добычи 1560 и 1870 т угля в сутки необходимые значения

кдег пл должны быть не менее соответственно 0,26 и

0,36.

Согласно действующему «Руководству по дегазации угольных шахт» (1990 г.) расстояние между пластовыми скважинами в условиях Кузбасса должно определяться по формуле (3.5), приведенной на стр.107 Руководства [1]. В этой формуле свойства пласта к газоотдаче в дегазационные скважины учитываются только величиной начального удельного метановыделения в скважины в течение 1-го месяца их функционирования. Этот показатель газоотдачи пласта определяется по рекомендациям ВостНИИ [1] и для лавы 14-01 (шахта «Зыряновская») рекомендован равным 1,4 м3/(мхут). При такой величине удельного выделения метана в скважины и заданных значениях

и

х

Г орный информационно-аналитический бюллетень

эффективности дегазации пласта 14, равных 0,26 и 0,36, расстояние между параллельно-одиночными скважинами должно составить 13,4 и 10,7 м соответственно. Темп снижения дебита метана во времени в формуле (3.5) не учитывается.

Чтобы оценить фактическую газоотдачу пласта 14 в дегазационные скважины ННЦ ГП-ИГД им.А.А.Скочинского совместно с работниками шахт «Абашевская» и «Зырянов-ская» выполнены исследования по определению показателей газоотдачи пласта, т.е. величины начального метановы-деления в скважины и темпа его снижения во времени. Для этого проведена газовоздушная съемка при проходке конвейерного штрека 14-10 на поле шахты «Абашевская», прилегающем к выемочному участку 14-01 шахты «Зырянов-ская», а также оценены результаты замеров дебита метана из дегазационных скважин, пробуренных в 1998 г. на участке лавы 14-01 (шахта «Зыряновская») после аварии, произошедшей в декабре 1997 г.

Результаты экспериментальных наблюдений и определения показателей газоотдачи пласта 14 приведены в табл.2-6.

Показатели газоотдачи пласта 14, рекомендованные нормативным документом и определенные экспериментально, в значительной степени отличаются друг от друга. Так, среднее удельное метановыделение в течение первого месяца функционирования скважин go (м3/(м-сут)) составило 1,4 - по рекомендациям ВостНИИ, 0,7 - по Руководству [13] и 0,58 м3/(м-сут) - по данным измерения дебита метана из скважин №№6-8 (рис.1), пробуренных станком СБГ-2м (табл.3, 6, 7). При таких

значениях величины g д расстояние между скважинами, рассчитанное по формуле (3.5) Руководства [1], изменяется от 13,4 до 8,0 м при необходимой эффективности дегазации пласта,

Рис. 1. Схема расположения дегазационных скважин на поле лавы 14-01 (шахта «Зыряновская», пласт 14)

равной 26 % (добыча угля 1560 т/сут), и от 10,7 до 6,4 м - при эффективности дегазации пласта 36% (1870 т/сут). Фактическая эффективность дегазации пласта в исследованных пределах изменения величин g 0 и к дег пл могла составить в

обуренной зоне 11-22 %, что ниже необходимой (табл. 7) в 1,6-2,4 раза. Обусловлена эта разница тем, что в формуле (3.5) Руководства [1] не учитывается общеизвестный факт снижения метановыделения из пласта в дегазационные скважины в зависимости от срока их функционирования.

Расчеты расстояния между пластовыми скважинами, выполненные по формуле (3.1) Руководства [1], в которую входят интенсивность начального выделения метана

g0 (м3/(м2хут)) и темп его снижения во времени а (сут-1,

свидетельствуют о том, что заданная (необходимая) эффективность дегазации пласта, равная 26 и 36 %, может быть достигнута при расстояниях между скважинами соответственно 5,7-8,5 м и 4,0-6,1 м, при этом большие их значения относятся к зонам пласта с повышенной газоотдачей (скважины №№6-8), а меньшие - к массиву угля со средними показателями газоотдачи, установленными по газовоздушной съемке в конвейерном штреке 14-10 = 0,21 м3/(м2сут)) и

по эмпирической формуле

а = 0,042 - 8,8 • 10'4 Vdaf , сут'1 (7)

где Vdaf - выход летучих веществ, %.

При Vdaf = 35,1 % коэффициент снижения во времени метано-выделения из пласта в дегазационные скважины составил а = 0,011 сут-1 .

Таким образом, на примере пласта 14 (Кузнецкий бассейн) убедительно показана необходимость определения параметров пластовой дегазации с учетом газоотдачи угольного массива, показатели которой надо устанавливать до составления паспорта выемочного участка, с тем, чтобы своевременно оценить возможности дегазации и выбрать безопасный режим добычи угля по газовому фактору на метанообильных выемочных участках.

Способы дегазации угольных пластов выбираются в соответствии с рекомендациями Руководства [1]. На участках пласта с низкой газопроницаемостью и газоотдачей необходимо производить гидроразрыв (гидрорасчленение) пласта для повышения продуктивности пластовых скважин и эффективности дегазации разрабатываемого пласта до 40-50 %. Перспективным следует считать гидроимпульсный метод воздействия на пласта [14, 15], над которым необходимо еще много работать.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Руководство по дегазации угольных шахт. М., Минуглепром СССР, 1990, 192 с.

2. Забурдяев В.С. Новые методы дегазации и управления газовыделением в угольных шахтах. ЦНИЭИуголь, 1990, вып.2, 65 с.

3. Victor S. Zabourdyaev. Gas Convent Forgasting Methods for Mine Developments, Gas Convent Reduction Means and Prevention of Sudden Gas and Coal Outbursts. International Symposium - cum Workshop. 2024 March 1995, Wollongong, NSW, Australia, pp.229-235.

4. Рубан А.Д., Забурдяев В.С. Метановая опасность и проблемы дегазации угольных шахт. «Горный вестник», 1997, №3, с.79-85.

5. Wang Zhenyu, Wang Kuijun, Sun Bo and Zhang Weimin. Test and Study of Working Coal- bed Methane Predrainage by Crossing -Borholes. CCRI - International Mining

Tech.'98 Symposium. 14-16 October 1998, Chongqing, China, pp.159-163.

6. Саламатин А.Г., Забурдяев В.С. Проблемы дегазации угольных пластов. «Безопасность труда в промышленности», 1996, №4, с.41-46.

7. Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах. Книга 3. Инструкции по борьбе с пылью и пылевзрывозащите к Правилам безопасности в угольных шахтах. М., 1997, 86 с.

8. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. Макеевка-Донбасс, 1989, 320 с.

9. Стекольщиков Г.Г., Иванов В.Н., Беляев В.И. Аэрогазодина-мические параметры выемочных участков при изменении режимов работы газоотсасывающих вентиляторов / Сб.: технология отработки пожа-ро-опасных пластов. - Кемерово, Изд. Вос-тНИИ, 1987, с.103-123.

10. Забурдяев В.С. Методы извлечения кондиционного метана из угольных

шахт.«Безопасность труда в промышленно-сти»,1994, №3,с.12-16.

11. Васыльчук М.П. О состоянии охраны труда в угольной и горнорудной промышленности. «Горный вестник», 1998, №5, с.82-88.

12. Петросян А.Э., Сергеев И.В., Ус-тынов Н.И. Научные основы расчета параметров горных выработок по газовому фактору. М., «Наука», 1969, 128 с.

13. Руководство по дегазации угольных шахт. М., «Недра», 1975, 190 с.

14. Забурдяев В.С., Рудаков Б.Е., Бух-ны Д.И. и др. Исследование параметров взрывоимпульсного воздействия на пласт с целью его дегазации /Сб.: Внезапные выбросы угля и газа, рудничная аэрология, ИГД им. А.А. Скочинского, 1989, с. 148157.

15. Сергеев И.В., Забурдяев В.С. Перспективы развития технологии извлечения метана из углесодержащих толщ. «Безопасность труда в промышленности». М., 1997, №7, с.2-8.

т

w

Забурдяев, В.С. кандидат технических наук, ННЦ ГП ИГД им. A.A. Скочинского.

154 -