CC BY
32
УДК 622.817.47
А.С. Подображин
МЕТАНООБИЛЬНОСТЬ ОЧИСТНЫХ ЗАБОЕВ И СПОСОБЫ ЕЕ СНИЖЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ШАХТ КУЗБАССА
Добыча угля в России в последнее время неуклонно смещается в сторону Кузбасса, предприятиями угольной отрасли Кузбасса в 2005 году добыто более 160 млн т угля. Только за два последних года доля кузбасского угля, добываемого подземным способом, возросла по отношению к шахтам России с 64 до 80 % и эта тенденция продолжает увеличиваться. В 2005 году начато строительство 12 угольных предприятий. По прогнозам специалистов, к 2010 году прирост добычи за счет ввода новых мощностей, внедрения новой производительной техники и новых технологий может увеличиться до 230 млн т/год, а численность трудя-
щихся, занятых в угольной отрасли должна увеличится на 2530 тысяч человек и составит 145-150 тыс. чел.
Анализ последних аварий, происшедших на шахтах Кузбасса, показывает, что именно человеческий фактор и слабое научно-техническое сопровождение развития угольной отрасли являются причиной происходящих аварий и несчастных случаев. Так, основными причинами взрывов и вспышек в 2004-2005 гг. послужили: высокая метанообильность горных выработок и нарушения в схемах проветривания на участках, применяющих современную высокопроизводительную очистную технику на длинных выемочных полях и лавах, при возросших скоростях подвигания очистных забоев. В этих условиях изменились геомеханические процессы сдвижения горных пород, процессы и объемы выделения метана. Все эти процессы требуют изучения, исследований и научного обоснования.
На шахтах Кузбасса ежегодно углубляются горные работы, в связи с чем увеличивается газообильность горных выработок, ухудшается состояние проветривания и пылегазового режима шахт. Применяемые на шахтах комбинированные схемы проветривания с изолированным отводом метана с помощью газоотсасывающих вентиляторных установок снижают безопасность ведения очистных работ. В этих условиях для повышения безопасности и соблюдения газового режима шахты необходимо применение дегазации, что приводит к необходимости дополнительных финансовых затрат.
В Кузбассе 119 угольных шахт, из которых 63 действующих, 10 строящихся и 46 ликвидируемых. Из числа действующих шахт 29 отнесены к III категории и выше по метану и 14 шахт - к опасным по внезапным выбросам (табл. 1).
В настоящее время пять шахт Кузбасса с абсолютной га-зообильностью более 100 м3/мин (им. С.М. Кирова, Чертин-ская, Абашевская, Есаульская, Распадская).
Средствами проветривания и дегазации на дневную поверхность выбрасывается ежегодно более 1200 млн. м3 метана. При этом эксплуатируется 100 вентиляторов главного проветривания, разных по типу и аэродинамическим характеристикам, 26 газоотсасывающих вентиляторных установок. В Кузбассе 44 дегазационных установки, 23 из которых в на-
стоящее время в работе. Принимаются меры к расширению области применения дегазации. За последние годы сданы в эксплуатацию дегазационные установки на шахтах «Есаульская», «Осинниковская», «Алардинская», «Тайжина», «№ 12» и «Первомайская». Заканчиваются работы по строительству дегазационных установок на шахтах «Коксовая», «Зиминка», № 5-6 (бывшая им. «Ворошилова»). На шахтах «Есаульская», «Тайжина» и «им. С. М. Кирова» внедряются прогрессивные схемы дегазации разрабатываемых и сближенных угольных пластов и выработанных пространств, преимущественно через скважины, пробуренные над куполами обрушения из прилегающих к очистным забоям штреков.
Для бурения дегазационных скважин шахтами Кузбасса за последние два года приобретено более 30 буровых станков СБУ-200М. В настоящее время в работе находятся 8 стационарных, 4 временных и 11 наземных передвижных дегазационных установок.
Глубина отработки метанообильных угольных пластов с каждым годом возрастает: на 6-ти шахтах Кузбасса глубина отработки уже превышает 600 м; длина подготавливаемых и готовых к выемке выемочных столбов достигает 2-3 км.
За последние 5 лет ежегодно увеличивалась добыча угля в Кузбассе и в 3 раза возросла нагрузка на очистной забой, а в отдельных случаях в 8-10 раз. 20 очистных бригад работают в миллионном и двухмиллионном режимах ежегодной добычи угля.
В последние годы коэффициент извлечения метана из угольных месторождений Российской Федерации не превышает 0,25. В Кузбассе он составляет в среднем 0,15-0,17, а на шахтах с дегазацией - 0,23-0,26. Объемы извлечения метана средствами дегазации на добычных участках составляют 250 млн. м /год (9,5 м3/т) и даже при существующей технике и технологиях могут быть повышены в Кузнецком бассейне в 1,5-1,7 раза, что позволит довести объемы каптируемого метана в очистных забоях до 150-170 м3/мин в шахтах Кузбасса. В перспективе в Кузбассе возможно трехкратное увеличение съема метана средствами дегазации. Коэффициент
извлечения метана на шахтах с дегазацией может быть повышен до 0,35-0,40 в Кузбассе [1].
Дебит каптированного метана на выемочных участках Кузбасса составляет 365 м3/мин. Газоотсасывающими вентиляторными установками отводится в Кузбассе - 395 м3/мин метана. Интенсивность извлечения метана на выемочных участках средствами дегазации и газоотсоса составляет 760 м3/мин. или 54 % общей их метанообильности. На долю дегазации приходится 26 % и газоотсоса - 28 % [1].
Дегазационными установками на российских шахтах извлекалось 1747 м3/мин. метановоздушной смеси при средней концентрации в ней метана - 27 %. Концентрация метана менее 3,5 % отмечена на 6 вакуум-насосных станциях, от 3,5 до 25 % - на 11 и свыше 25 % - на 17 станциях.
Из числа ликвидируемых шахт извлечение и использование метана целесообразно только на шахтах, закрытие которых предусмотрено «сухим» или «комбинированным» способами. К их числу можно отнести, прежде всего, шахты «Капитальная», «Зыряновская», «Байдаевская», «Полысаевская» и «Западная». Однако опыта извлечения и утилизации метана закрываемых шахт в России пока нет. Экспериментальные работы проведены только на шахте «Кольчугинская».
Технологии извлечения метана средствами дегазации базируются на вакуумировании скважин, пробуренных с дневной поверхности или из горных выработок. Технологические схемы и параметры дегазации выбираются исходя из источников и объемов метановыделения, особенностей разработки угольных пластов и состояния дневной поверхности [2-4].
В Кузбассе дебит каптированного средствами дегазации и извлеченного с помощью газоотсасывающих вентиляторных установок ВМЦГ-7 метана с 216 млн. м3 в 1990 г. снизился до 113 млн м3 в 1998 г. и до 104 млн м3 метана в 2002 г. На выемочных участках извлекается 7-18 м3/мин. Широкое применение нашли способы дегазации сближенных пластов и выработанного пространства через скважины, пробуренные с дневной поверхности и сообщенные с вакуумным насосом или газоотсасывающей вентиляторной установкой [1].
В Кузнецком бассейне каптируемый в шахтах метан в промышленных масштабах пока не используется. Однако по фактору метановыделения имеются условия для перевода котельных на шахтный метан или для выработки электроэнергии и тепла. Экспериментальные работы, выполняемые на шахте "Чертинская", являются тому подтверждением.
При этом реальными в настоящее время являются следующие технологии использования шахтных метановоздушных смесей (МВС): совместное сжигание в топках котлов разнородных видов топлива (МВС - твердое топливо, МВС -жидкое топливо); сжигание МВС в газовых турбинах, газомоторных и газодизельных установках с целью получения электрической и тепловой энергии; получение моторного топлива на базе каптированного метана; производство химических веществ.
Основными причинами, тормозящими расширение области использования метана на шахтах РФ, являются: 1) неустойчивые, а порой и низкие дебиты метана в каптируемых газовоздушных смесях, которые в существенной степени зависят от параметров и режимов работы дегазационных скважин; 2) отсутствие современных российских средств бурения подземных скважин и средств интенсификации газоотдачи неразгруженных угольных пластов; 3) отсутствие нормативного, организационного и инвестиционного механизмов, стимулирующих дегазацию углепородного массива и утилизацию метана.
На шахтах России применяются 3 основных способа дегазации источников метановыделения: дегазация неразгруженных от горного давления угольных пластов (разрабатываемые пласты); дегазация разгружаемых сближенных угольных пластов (подрабатываемые и надрабатываемые пласты); дегазация выработанных пространств на действующих и ранее отработанных участках.
Дегазация угольных пластов при проведении подготовительных выработок. Нормативным документом «Методические указания о порядке дегазации угольных шахт России» (2006 г.) предусмотрены схемы предварительной и текущей дегазации угольного массива на трассе проведения пластовых подготовительных выработок, метанообильность кото-
рых свыше 3 м3/мин. Расстояние между скважинами предварительной дегазации устанавливается расчетом в зависимости от ожидаемой (прогнозной) метанообильности, обусловленной метановыделением из разрабатываемого пласта, и необходимой эффективности дегазации согласно нормативному документу. При текущей дегазации длина барьерных скважин составляет 100-150 м, а расстояние между камерами - 85-130 м.
Дегазация неразгруженных угольных пластов на участках очистных работ. Объемы извлечения метана из неразгруженных от горного давления угольных пластов и эффективность их дегазации зависят в основном от газопроницаемости и газоотдачи дегазируемого массива угля, расстояния между скважинами и продолжительности функционирования скважин. Поэтому применительно к конкретным условиям шахт расход метана определяется опытом ведения дегазационных работ или расчетом. Усредненные показатели эффективности предварительной дегазации угольных пластов и продуктивность скважин, пробуренных на выемочном участке, приведены в табл. 2.
При качественной герметизации устьев скважин обеспечивается извлечение кондиционных по метану газовоздушных смесей. В условиях различных шахт России, главным образом шахт Кузбасса, расстояние между скважинами предварительной дегазации принимается равным 8-20 м (наибольшее значение соответствует требованиям инструкции по борьбе с пылью, т.е. по фактору увлажнения угольного массива, что не допустимо по фактору дегазации).
Дегазация подрабатываемых сближенных пластов на очистных участках. Опытом дегазации шахт России с других стран, широко применяющих подземную дегазацию сближенных подрабатываемых пластов, установлено, что этот способ дегазации
и различные варианты схем расположения скважин являются наиболее эффективными и способны извлекать большие объемы кондиционного метана. Расстояние между скважинами в различных горнотехнических условиях составляет 30140 м, продолжительность работы дегазационных скважин -
0,3-16 мес., глубина герметизации скважин - 10-28 м, длина скважин - 65-120 м. (меньшие значения приурочены к схеме, предусматривающей бурение скважин навстречу очистному забою из участковой выработки, погашаемой за лавой).
Дегазация выработанных пространств. Основными схемами подземной дегазации выработанных пространств на выемочных участках являются схемы, предусматривающие бурение скважин над куполами обрушения из выработок очистного участка и из фланговых выработок. Концентрация метана в каптируемых смесях, как правило, ниже допустимой ПБ, т.е. менее 25 %. Длина скважин нал куполами обрушения составляет 55-70 м, расстояние между скважинами - 30-40 м. В работе находятся, как правило, 1-2 скважины. Расход метана - 1,4-4,0 м3/мин. Срок работы скважины - 0,5-1,5 мес. Фланговые скважины над куполами обрушения бурятся веером из 1-2 камер, отделенных от монтажной камеры целиком угля. Обычно проводят по 2-4 скважины, длина каждой из которых составляет 40-100 м. Расход метана изменяется в пределах 2-8 м3/мин и только в отдельных случаях начальный период функционирования скважин достигает 14 м3/мин с кондиционным содержанием метана в каптируемой смеси. Продолжительность работы скважин на участках различных шахт составляет 5-12 месяцев. Практическое влияние скважин на метанообильность участка ограничено расстоянием от монтажной камеры до 150-200 м.
Напряженность газовой обстановки на шахтах Кузбасса обусловила применение всего арсенала способов и средств снижения концентрации метана в горных выработках. В порядке эффективности их перечень включает вентиляцию, отвод газа из выработанных пространств средствами вентиляции (газоотвод) и изолированный отвод метана средствами дегазации.
Последний из них является практически единственным экономически приемлемым способом борьбы с газом. Однако, сложившаяся технология отработки угольных месторождений при отсутствии современной отечественной высокопроизводительной буровой техники, снижает её эффективность, что в дальнейшем приводит к трудностям проветривания выемочных участков. Решением данного вопроса должно
явиться ведение предварительной дегазации угольных пластов на высокопроизводительных очистных участках.
Применение комплекса существующих способов и средств снижения концентрации метана в горных выработках позволит повысить безопасность ведения горных работ и в конечном итоге увеличить нагрузку на очистные забои.
---------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Забурдяев В.С. Способы извлечения метана на шахтах России // Безопасность труда в промышленности. - 2005. - № 9. - С. 45 - 49.
2. Методические основы проектирования дегазации на действующих и ликвидируемых шахтах/ B.C. Забурдяев, А.Д. Рубан, ПС. Забурдяев и др. — М.: ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского, 2002. — 316 с
3. Рубан А.Д., Забурдяев B.C. Проблемы безопасной разработки высокогазоносных угольных месторождений // Геотехнологические проблемы комплексного освоения недр. ИГД УрО РАН. — Вып. 2 (92). — Екатеринбург, 2004. — С. 86-98.
4. Руководство по дегазации угольных шахт России // ННЦ ГП-ИГД им А.А. Скочинского. Люберцы, 2002. - 216 .
і— Коротко об авторах
Подображин Александр Сергеевич - студент, Московский государственный горный университет.
^---------
-------------- © А.Э. Филин, 2006
УДК 622.82; 622.411.3
