CC BY
37
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 97”
МОСКВА, МГГУ, 3.02.97 - 7.02.97
СЕМИНАР 1 " ПРОБЛЕМЫ ЗАБЛАГОВРЕМЕННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ (ДОБЫЧИ) МЕТАНА ИЗ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Е А.Косьминов
АО “Ленинскуголь”
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПОДГОТОВКИ СВИТЫ ВЫСОКОГАЗОНОСНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ К ИНТЕНСИВНОЙ ОТРАБОТКЕ
Реконструкция угольных шахт Ленинского района Кузбасса связана с переходом на отработку глубоких по сравнению с существующими горизонтов. При этом, практически везде, возрастает газоносность разрабатываемых угольных пластов, увеличивается газовыделение в горные выработки как из разрабатываемых пластов, так и подрабатываемого углепородного массива с высокой угле-насыщенностью. Возможности дегазации резко снижаются вследствие уменьшения газоотдачи угольных пластов в скважины и увеличения протяженности дегазационных систем.
Рост протяженности поддерживаемых выработок существенно снижает эффективность проветривания очистных и подготовительных забоев. Сложившаяся ситуация требует нового подхода к управлению газовыделением на различных стадиях развития горных работ на вновь вскрываемых горизонтах шахт.
Эффективное управление газовыделением при подготовке и отработке новых глубоких горизонтов шахт базируется прежде всего на достоверных сведениях о структуре газового баланса выемочного поля шахты и его динамики на различных этапах развития горных работ на горизонте. Проведение подготовительных и нарезных выработок при подготовке первого в панели выемочного столба существенно осложняется высоким газовыделением из разрабатываемого пласта. Как показал опыт, применение ограждающей дегазации длин-
ными скважинами практически не дает эффекта вследствие низкой газопроницаемости угольных пластов. Нормализация газовой обстановки может быть достигнута проведением спаренных выработок для эффективного проветривания подготовительных забоев или же заблаговременной дегазацией неразгруженных угольных пластов с использованием способа гидрорасчленения последних через скважины, пробуренные с земной поверхности.
При отработке первого выемочного столба газовый баланс участка формируется в основном за счет газовыделе-ния из разрабатываемого пласта. Дегазация этого пласта способом гидрорасчленения обеспечивает снижение газовыде-ления до требуемого уровня и отработку запасов без ограничений по фактору ме-тановыделения.
По мере развития очистных работ на новом горизонте возрастает объем выработанных пространств, а следовательно и зона подработки свиты вышележащих неотработанных пластов. Ме-тановыделение из выработанных пространств и подработанного угленасыщенного горного массива становится фактором, сдерживающим интенсивность очистных работ. Увеличение количества подаваемого воздуха и сечения подготовительных выработок редко оправдываются экономически и не всегда осуществимо на шахтах технически. Интенсификация проветривания приводит также к безвозвратным потерям газа метана, являющегося ценным попутным добыче
угля энергоносителем, и к загрязнению внешней атмосферы. При определенном уровне газообильности выработок панели целесообразно перейти на отработку запасов в инертной газовой среде с применением новой технологии более высокого технического уровня [ 1 ].
На основе изложенного предлагается комбинированная технология управления метановыделением при подготовке и отработке новых глубоких горизонтов шахт, отрабатывающих свиты газоносных пологих угольных пластов, сущность которой заключается в следующем:
1. Заблаговременная дегазация разрабатываемого пласта способом гидрорасчленения с целью создания условий для скоростной подготовки и высокопроизводительной отработки первых выемочных участков на новом горизонте шахты.
2. По мере возрастания метановы-деления из выработанных пространств очистных забоев и подрабатываемого вышележащего углепородного массива за счет развития угледобычи переход на отработку запасов угля шахтных полей в изолированной инертной метановой среде.
На первом этапе из дегазационных скважин, а на втором - из действующих выработок, газ извлекается с содержанием метана 50 - 90% что позволяет планомерно его утилизировать в промышленных масштабах.
Такой подход предполагает разработку комплексного проекта подготовки, отработки и дегазации всего вводимого горизонта, включающего технологические схемы подготовительных и очистных работ, схемы заблаговременной дегазации разрабатываемого пласта, отражающего особенности работы в инертной газовой среде. Параметры технологических схем определяются с учетом динамики структуры газового баланса подготовительных и очистных участков при развитии горных работ на горизонте.
Предложенная комплексная технология управления метановыделением реализуется при подготовке и отработке нового горизонта - 200 м на шахте “Комсомолец” АО “Ленинскуголь”. При этом первая лава отрабатывается по технологической схеме ведения очистных работ в инертной газовой среде с использованием специализированного оборудования, но в нормальных атмосферных условиях с целью наработки технологического и организационного опыта, а затем, по мере освоения нетрадиционной технологии и достижения дебита метано-выделения в требуемых объемах осуществляется переход на работу в инертной газовой среде.
ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ И ГОРНОТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ШАХТЫ
Шахтное поле содержит свиту 12-ти сближенных пластов с углами падения от 40-45° на выходах до пологого и горизонтального у нижней границы. Основными разрабатываемыми пластами являются Бреевский, Толмачевский и Емельяновский суммарная мощность угольных пачек которых колеблется от 1,6 до 3,0 м. Добываемые угли марки Г\ с высоким содержанием золы, требующие обогащения. Вмещающие породы - алевролиты, песчаники и аргиллиты. Среднегодовые притоки воды составляют 660 м3/час, по газовому фактору шахта сверхкатегорная, с глубины 150 м угрожаемая по горным ударам и с 540 м -угрожаемая по внезапным выбросам.
Шахтное поле вскрыто двумя центрально-сдвоенными стволами и двумя фланговыми вентиляционными стволами. Поле однокрылое, вскрытое на востоке главными квершлагами, магистральным откаточным штреком и на западе - основными штреками по пластам.
Отработка запасов угля ведется прямым ходом от центральных стволов к границам шахтного поля, выемочные участки отрабатываются обратным ходом. Система разработки - длинные
столбы по простиранию с отработкой ярусов в нисходящем порядке с длиной столбов от 500 до 1800 м.
Управление кровлей полным обрушением с использованием для очистной выемки механизированных комплексов оборудования. Глубина горных работ составляет от 250 до 430 м.
Производственная мощность шахты за счет постоянной реконструкции горного хозяйства и технического перевооружения постоянно возрастала - с 400 тыс. т угля в год в 1933 году, 1,2 млн.т в 1961 году до 2,4 млн. т в 1977 году. В 1993 году мощность шахты в связи с ухудшением горно-геологических условий и усложнением горного хозяйства была снижена до 1,8 млн.т угля в год.
Природная газоносность пластов разрабатываемых шахтой составляет - 12
- 14 м3/т на пласте Бреевский (л. 17 и 14); -25 - 28 м3/т на пласте Толмачевский (л. 18
- 30); - 16 -18 м3/т на пласте Емельянов-ский (л. 19 - 82).
Дегазационные работы на шахте проводятся в следующих направлениях:
• дегазация выработанных пространств скважинами с вент-штреков на верхнюю часть очистного забоя с использованием подземных вакуум-насосов РМК-25 и ВН-50, расположенных на поверхности. Концентрация метана составляла 2060% при расходах: по РМК-25 -15 м3/мин и ВН-50 - 20 м3/мин;
• дегазация выработанных пространств скважинами, пробуренными с поверхности с использованием передвижных ва-куум-насосных станций ВН-50.
Концентрация метановоздушной смеси достигала 80 и до 100%.
Снижение газообильности выработанных пространств осуществляется с использованием камер смешения на исходящих струях; с помощью фланговых поверхностных установок ВМЦГ-7; с применением вентустановки ВМЦГ-7 с
отводом метановоздушной смеси в камеру смешения.
С целью реконструкции вентиляции шахты пробурены установкой “Вирт” два вентствола диаметром 2,8 м с обсадкой металлическими кольцами толщиной 20 мм. На шахте осуществляется моделирование режимов проветривания на ЭВМ, что позволяет совершенствовать вентиляционный режим шахты.
Совершенствование схем проветривания очистных забоев позволило довести нагрузку на очистной забой до 80 -100 тыс.тонн/мес.
Текущим прогнозированием установлено ожидаемое увеличение метаноо-бильности лав за счет расслоения пласта на две угольные пачки, повышения трещиноватости пород кровли и почвы, а также угольного пласта, что является природными коллекторами газа метана и др. В результате отмеченного фактическое газовыделение достигает 4 - 4,5 м3/мин, что требует проведения ограждающей барьерной дегазации.
ТЕХНОЛОГИЯ ДЕГАЗАЦИИ ГАЗОНАСЫЩЕННОЙ УГЛЕНОСНОЙ ТОЛЩИ
Принципиальной сущностью технологии дегазации угленосной толщи и добычи метана через скважины, пробуренные с поверхности, является активное гидродинамическое воздействие на газонасыщенный горный массив, обеспечивающее раскрытие и расширение природных трещин и соединение их в единую систему, ориентированную к скважине. Варианты реализации имеют отличия - в одном случае извлекается метановоздушная смесь с содержанием метана свыше 90%, но с низким дебитом, а во втором -извлекается низкопотенциальная смесь с высоким дебитом. Для устранения этих недостатков разработана схема, предусматривающая дополнительное воздействие на горный массив очистными работами.
Одновременно предлагается технологическая схема с использованием комбинации вариантов, заключающаяся в отработке выемочных столбов через один, а в неотработанный столб бурятся и используются скважины по прежней технологии. При этом способе радиус воздействия скважин возрастает в два раза, а их количество снижается в четыре раза.
Аналог указанной технологии предлагается и реализуется для шахты “Комсомолец” и обеспечит следующие показатели: съем газа на одну тонну запасов- 3,5 -15,0 м3 коэффициент дегазации-0,5 - 0,6
увеличение скорости подвигания очистных и подготовительных забоев -35%
рост нагрузки на очистной забой-15- 20%
прирост энерговооруженности-25%
снижение экономического ущерба -35%
Исходя из горно-геологических и горнотехнических условий шахты гидродинамическое воздействие на угольные пласты для дегазации и добычи метана предполагается осуществить через две скважины, уже полностью пробуренные и оснащенные.
Реализация технологии обеспечит комплексное решение подготовки выемочного поля по газовому фактору и высокоэффективной отработки за счет обеспечения: требуемой эффективности дегазации по всему выемочному полю; разделения в пространстве и во времени работ по дегазации и добыче угля и равномерности дегазации; высокой газоот-дачи путем активного воздействия на источники газа; отвода газа минуя горные выработки; получения метана потребной концентрации для промышленного использования.
ТЕХНОЛОГИЯ ОТРАБОТКИ ГАЗООБИЛЬНЫХ УЧАСТКОВ ШАХТНЫХ ПОЛЕЙ В ИЗОЛИРОВАННОЙ ИНЕРТНОЙ ГАЗОВОЙ СРЕДЕ
Характерной особенностью шахт Кузнецкого угольного бассейна, является высокая их газообильность, серьезно сдерживающая интенсификацию угольного производства, и достаточно благоприятные по прочим параметрам условия для эффективного применения комплексно-механизированного и автоматизированного горношахтного оборудования. Решение проблемы отрицательного влияния “газового фактора” возможно путем использования инертных газовых сред в пожаровзрывоопасных выработках с ведением работ без постоянного присутствия людей в рабочих зонах.
Сущность предлагаемой нетрадиционной технологии заключается в том, что процессы добычи угля, связанные с выделением метана, пыли и тепла, и сопряженные с опасностями для горнорабочих, выполняются в изолированном от общешахтной атмосферы пространстве, заполненном пожаро-, взрывобезопасной (инертной) смесью газов. Горные работы по углю при этом производятся автоматизированными комплексами оборудования, обслуживающий персонал которых находится в специальных бокс-базах с нормальными атмосферными условиями или снабжен системами автономного жизнеобеспечения.
Технология обеспечивает аккумулирование в изолированном пространстве сопутствующих добыче угля газа-метана, пыли и тепла, является высокопроизводительной, ресурсосберегающей, экологически чистой, а главное, ликвидирует сдерживающее влияние “газового фактора” на интенсивность угледобычи. Она снижает выбросы в атмосферу и обеспечивает улавливание и планомерную утилизацию метана, пыли и тепла. Область применения технологии определяется пологими пластами мощностью свыше 1,5 м, природной газоос-ностью свыше 18 м3/т, на глубинах более
400 м. Проектные показатели технологии следующие: длина выемочного столба -не менее 2000 м; длина лавы - 140 - 180 м; скорость подвигания очистного забоя -150 м/мес; нагрузка на очистной забой -до 4500 т/сут; производительность труда -до 120 т/мес; снижение себестоимости добычи угля на 22 - 30% и выбросов вредных веществ в атмосферу на 50%; утилизация метана по участку до 65 тыс. м3/сут; ликвидация затрат на дегазацию до 9%; снижение в 2-3 раза количества подаваемого в шахту воздуха; утилизация метана, тепла и угольной пыли и производства за счет этого до 75 млн. кВт-ч в год электроэнергии, до 10000 Мкал в год тепла, увеличение полноты извлечения запасов на 0,4 - 0,6%.
ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОУВЯЗКИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА УГЛЕПОРОДНЫЙ МАССИВ И ОТРАБОТКИ ПЛАСТА В ИНЕРТНОЙ СРЕДЕ
Основными условиями создания конкурентоспособного угольного предприятия при рыночной экономике является решение проблемы высокопроизводительной отработки газоносных угольных месторождений в условиях постоянного увеличения глубины разработки и роста метановыделения путем ликвидации отрицательного влияния на безопасность и производительность труда “газового фактора” и эффективного использования попутных добыче угля энергоносителей - газа метана, угольной пыли и тепла.
Решение указанных проблем предусматривается внедрением прогрессивной нетрадиционной технологии интенсивной отработки высокогазоносных пластов с применением инертных сред и автоматизированных комплексов оборудования, а также наиболее приемлемых для этой технологии с точки зрения экономичности, эффективности и экологичности способов дегазации углепородного массива.
С этой целью предполагается разработка комплексного проекта для условий нового горизонта - 200 м шахты “Комсомолец”, основанием для которого является ГНТП “Недра России”, в рамках которого предусмотрено создание и освоение технологии отработки пластов высокой газоносности в инертных газовых средах, а также наработанный МГГУ и АО “Ленинскуголь” научный и экспериментальный материал для практической реализации активных гидродинамических воздействий на углепородный массив с целью его направленной дегазации и добычи метана.
Реализация комплексного проекта предполагается в следующих направлениях, предусматривающих взаимоувязку и последовательность выполнения конкретных технологических процессов.
Опытно-промышленные испытания комплексного проекта предусматриваются на горизонте - 200 м по пласту “Бреевский” шахты “Комсомолец”. Особенностью проектных решений является первоочередное проведение работ по дегазации подготавливаемого к отработке выемочного поля, что обусловлено высоким уровнем газоносности пласта, составляющей 70,6 м3/мин. Это позволит обеспечить безопасность проведения горно-подготовительных работ и повысить их интенсивность. Технологическая схема дегазации предполагает осуществить гидродинамическое воздействие через две скважины, пробуренные с поверхности. Освоение скважин и производство гидрорасчленения пластов с целью их дегазации производится до начала горных работ по подготовке горизонта к эксплуатации, что обеспечит высокие темпы проведения.
Подготовка к эксплуатации выемочного блока с использованием технологии отработки пласта в изолированном пространстве, заполненном инертной газовой средой, проводится после дегазационных работ в проветриваемых гор-
ных выработках с нормальной шахтной атмосферой в следующем порядке:
• горно-подготовительные работы, включающие подготовительные выработки, нарезные работы, строительство герметизирующих устройств и камер транспортного назначения;
• монтажно-наладочные работы основного, вспомогательного и специального оборудования (автоматизированный комплекс очистного оборудования, участковый конвейерный и рельсовый транспорт, шлюзовые устройства и перемычки, устройства принудительного движения инертной среды, комплекс бокс-баз, система контроля и управления технологией и
др);
• опробование под нагрузкой всей технологической цепи по добыче угля, доводка ее.
Первая лава выемочного блока отрабатывается по технологической схеме инертной газовой среды с использованием всех специализированных видов оборудования и устройств, но в нормальных шахтных атмосферных условиях с целью адаптации технологического комплекса оборудования и систем управления, наработки технологического и организационного опыта.
Газовый баланс блока поддерживается на требуемом уровне за счет проводимой дегазации высокоэффективным способом и обеспечивает добычу угля без существенных ограничений по “газовому фактору”.
Одновременно с планомерной отработкой запасов естественно возрастает объем выработанного пространства и увеличивается зона подработки свиты вышележащих неотработанных пластов, что приводит к изменению газового баланса в сторону роста метановыделения и
при достижении определенной газоо-бильности выработок блока представляется возможность осуществить переход на проектную технологию ведения очистных работ - в инертной газовой среде.
Переход проводится с выполнением следующих режимных работ:
• герметизация выемочного участка (блока) путем включения в эксплуатацию всех ранее обустроенных герметизирующих устройств;
• проверка и наладка под нагрузкой системы автоматизированного и дистанционного управления схемой участковой герметизации;
• заполнение изолированного пространства выемочного участка инертной газовой средой ( метан, азот) до требуемых концентраций;
• проверка работоспособности шлюзовых устройств и системы бокс-баз под нагрузкой и др.
В соответствии с утвержденным планом мероприятий, при усиленном надзоре ИТР осуществляется ведение эксплуатационных работ по добыче угля без постоянного присутствия людей в опасных зонах.
При превышении в блоке уровня требуемой концентрации метана его излишки отсасываются через вертикальную скважину вакуум-насосной установкой и утилизируются в передвижной ГАПЭС.
Реализация комплексной технологии управления метановыделением и отработки запасов угля в инертной газовой среде обеспечивает заблаговременную подготовку выемочных полей выработками в нормальных атмосферных условиях с одновременным извлечением и утилизацией выделяющегося метана.
В процессе эксплуатации извлечению и утилизации подвергаются излишки метановоздушной смеси.
© Е.А.Косьминов
