CC BY
35
К 70-летию КАФЕДРЫ
«аэрология : и . охрана : труда» : .
^ А.И. Буханцов, В.В. Порубай,
2000
УДК 622.412:622.817
А.И. Буханцов, В.В. Порубай
ОБЕСПЕЧЕНИЕ МЕТАНОБЕЗОПАСНОСТИ НА ШАХТАХ ДОНБАССА
і
Н
а угольных месторождениях проблема метана, прежде всего важна с точки зрения повышения производительности очистных забоев и обеспечения безопасных условий труда горнорабочих.
Углубление горных работ сопровождается ростом метанообиль-ности угольных шахт, что приводит к повышению затрат на обеспечение безопасности и снижению производительности труда. На предприятиях угольной промышленности продолжаются взрывы метана, влекущие за собой тяжелейшие социальные и экономические последствия.
На шахтах Донбасса за последние 27 лет положение не изменилось, хотя совершенствуются средства контроля метана, способы и схемы вентиляции, безопасность труда контролируется горнотехнической и профсоюзной инспекциями. Ежегодно происходят от 9 до 16 воспламенений, из них 3-4 взрыва. По местам работ аварии распределились следующим образом: на выемочных участках - 44 %, в тупиковых и других выработках - 56 %. В причинах загазирования нарушения вентиляции занимают 48 %, 52 % связаны с образованием местных скоплений метана, повышенными выделениями из разрабатываемых пластов и вмещающих боковых пород, то есть с причинами, которые в значительной мере могут быть устранены за счет заблаговременной дегазации.
В настоящее время разработаны способы и средства дегазации под-
рабатываемых пластов и пород скважинами, пробуренными из горных выработок и с поверхности. Совместно с МГГУ разработаны способы заблаговременной дегазации неразгруженного от горного давления углепородного массива скважинами, пробуренными с поверхности с последующим извлечением метана из него после подработки. Однако все эти разработки используются не в полном объеме и недостаточно эффективно.
Количество воспламенений сохраняется несмотря на уменьшение нагрузок на добычные участки и количества действующих шахт. Следовательно, борьба с метаном становится менее эффективной. Анализ состояния подземной дегазации 25 наиболее метанообильных шахт за последние 10 лет (табл. 1) показывает, что добыча упала на 39 % за счет уменьшения метановыде-ления на 34 %.
Поскольку дегазационные системы практически не изменились, можно было ожидать, что эффективность извлекаемого метана возрастет. Од-
Таблица 1
нако количество извлеченного метана снизилось на 34 %, а эффективность дегазации на 3 %.
Основные причины низкой эффективности в следующем:
1. В связи с реструктуризацией угольной промышленности ослаблено внимание к дегазации со стороны руководителей шахт и холдингов. На многих шахтах проекты дегазации устарели, не соответствуют действующим нормативам и нуждаются в корректировке.
2. Строительство новых горизонтов производится без должного учета возможностей борьбы с метаном.
3. Не соблюдается технология сооружения скважин и прежде всего не обеспечивается требуемая глубина герметизации устьев, не тампонируется затрубное пространство.
4. Пропускная способность газопроводов на многих шахтах ниже требуемой, они не герметичны, состояние их не контролируется.
5. Значительно ухудшилось снабжение шахт приборами контроля, аппаратурой защиты и материалами, необходимыми для безопасного выполнения основных технологических процессов дегазации.
Вместе с тем, вследствие увеличения глубины горных работ и изменения природных условий, ухудшения состояния горных выработок, возможности вентиляции, играющей основную роль в борьбе с метаном в шахтах, уменьшаются.
Расчет возможной по газовому фактору скорости подвигания очистных забоев существенно ограничивается метановыделением из разрабатываемого пласта при природной газоносности его 20 м3/т.с.б.м. и более. Установлено, что при та-
ИЗМЕНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ДЕГАЗАЦИИ 25 НАИБОЛЕЕ МЕТАНООБИЛЬНЫХ ШАХТ ДОНБАССА С 1988 ПО 1998 ГОДЫ
П о к а з а т е л и Г о д ы Изменение
1988 1998 %
Общее метановыделение, млн.м3 1195,6 791,3 -33,8
Добыча угля, млн. т 27,4 16,7 -39,0
Относительная метанообильность, м3/т 43,6 47,4 +8,7
Объем извлеченного метана, млн.м3 283,7 182,4 -35,7
Коэффициент дегазации, % 23,7 23 -2,9
Среднее содержание метана в извлекаемой газовой смеси, % 27,4 20,4 -25,5
кой газоносности в лавах длиной от 150 до 200 м среднее содержание метана превышает 1,0 % при скорости подвигания лавы 2 м/сут и более. При длине лавы более 200 м допустимая скорость подвигания равна 1,5 м/сут.
Нормальная работа шахт по газовому фактору может быть обеспечена за счет применения заблаговременной дегазации угольных месторождений путем пневмогидровоздействия через скважины, пробуренные с поверхности. Технология её основана на гидродинамической обработке неразгруженного от горного давления углепородного массива ограниченным объемом рабочей жидкости с добавками инак-тивных веществ для создания начальной сети естественных систем трещин, ориентированных на скважину, и их дальнейшее развитие в процессе пневмовоздействия путем нагнетания воздуха с параметрами, обеспечивающими многократное повышение общей и фазовой проницаемости для газа, снижение сорбционной способности угля для метана за счет оттеснения жидкости из фильтрующего объема и частичной просушки пласта с последующим извлечением газовой смеси на поверхность.
Способ заблаговременной дегазации прошел испытания на ряде шахт Донецкого бассейна.
Скважины для пневмогидровоздействия на поле шахты «Зуевская» были пробурены на участке 9-й восточной лавы пласта К3 и на поле шахты «Коммунист» 48-й «бис» и 54-й лав пласта g2н Диаметры эксплуатационной колонны скважин составляли 108-146 мм, глубина скважин - 400-540 м.
Объем закачиваемой рабочей жидкости определялся коллекторскими свойствами пласта, необходимой величиной зоны воздействия и содержанием инактивных веществ в жидкости. Для угольных пластов объем рабочей жидкости с добавками инактивных веществ определяется по формуле
Q = П • Rэф2 • h • т • Кп.и, м3 где Rэф - эффективный радиус воздействия, м; h - мощность пласта, м; т - эффективная пористость пласта, доли ед.; Кпи. - коэффициент, учитывающий потери жидкости
с добавками инактивных веществ в стенки трещин.
В качестве рабочей жидкости использовалась вода с добавками 1 % раствора минеральных солей сульфата железа и сульфата алюминия ^е2^04)3 и А12^04)3 ). Наличие минеральных солей повышает плотность воды и инактивный поверхностный эффект, который снижает процесс набухания угля и дает возможность увеличить массопере-нос рабочей жидкости, а следовательно, уменьшаются потери на фильтрацию, что способствует росту длины раскрываемой трещины.
Процесс гидродинамического воздействия на пласты производился тремя циклами с увеличением темпа нагнетания в каждом последующем цикле на (5-10) • 10-3 м3/с и доведением его до максимального в последнем.
В таком режиме в пласты К3, КД g2н было закачано от 40 до 110 м3 рабочей жидкости с инактивны-ми веществами. Максимальный темп нагнетания составлял (23,832,7) • 10-3 м3/с. Отмеченные при этом снижения давления в последнем (третьем) цикле до 9,6-14,5 МПа соответственно по скважинам свидетельствует о раскрытии второстепенных систем трещин и равномерности обработки угольных пластов.
Для снижения газовыделения в горные выработки выемочных участков, отрабатывающих пласты К3, g2н, из вмещающих боковых пород гидравлической обработке были подвергнуты песчаники и нерабочие угольные пласты. Объем закачки по скважинам составил 205-248 м3 при среднем темпе нагнетания (24,7-28,6) • 10-3 м3/с и давлении на входе в пласт 9,8-15,6 МПа.
На обоих шахтных полях после выполнения процесса гидровоздействия скважины закрывали для выдержки рабочей жидкости в пласте до стабилизации давления и равномерного увлажнения массива, что необходимо для последующего замещения метана водой в сорбционном объеме. Затем скважины открывали и производили выпуск жидкости до снижения давления в её устье до атмосферного. После этого жидкость оттеснялась из раскрытых и фильтрующих пор в более тонкие структуры пласта путем на-
гнетания в него расчетного объема сжатого воздуха компрессорами СД-9/101. Процесс нагнетания воздуха в пласт сопровождался повышением температуры массива за счет массо-теплопереноса нагретого компрессором воздуха и окисления угля кислородом.
Общий объем нагнетаемого воздуха определялся по условиям заполнения фильтрующих пор и трещин обрабатываемой зоны пласта. Исследования параметров процесса пневмовоздействия на угольные пласты К3, КД g2н проведены на 10 скважинах (по пять скважин на каждой шахте). Темп нагнетания воздуха в пласты составлял 0,15-0,45 м3/с. Общий объем закачки воздуха в пласты по скважинам составлял 99-434 тыс.м3. Давление воздуха на входе в пласт снизилось с 10,2 МПа до 5,1 МПа. Воздух в пласты закачивался в три цикла. В процессе выполнения первых двух циклов осуществлялся выпуск воздуха из скважины до падения давления, соответствующего давлению на глубине зоны газового выветривания. После выполнения последнего цикла скважина закрывалась и воздух выдерживался в пласте до снижения давления в ней до величины 1,11,15 раза от пластового, необходимого для реализации энергии закачанного воздуха на проникновение в более мелкие поры и трещины, а также чтобы снизить до минимума скорость возврата воздуха из пласта, что в свою очередь влияет на скорость возврата оттесненной рабочей жидкости к забою скважины и время извлечения метана из угольного пласта.
Снижение давления до величины, соответствующей пластовому давлению, происходит в течение 3-
3,5 суток. После того, как давление снизилось до 2,2-2,4 МПа и практически стабилизировалось на этой величине, скважину открывали и производили извлечение газовой смеси из углепородного массива в режиме самоистечения. При сроках освоения 92-173 суток извлечены из угольных пластов 57-117 тыс.м3 метана. При этом обработанные запасы угля по скважинам изменяются от 22 до 38 тыс.т. Объем извлеченного метана на 1 тонну обработанных запасов угля составили 2-3,85 м3/т.
В процессе освоения скважин откачка жидкости велась периодически с интервалом 40-70 суток по мере снижения расхода газовой смеси. В первые моменты времени водоприток оценивался на уровне
1-1,2 м3/сут, что подтверждает предполагаемый механизм пневмовоздействия на пласт, в процессе которого происходит дополнительное раскрытие второстепенных систем трещин и соединение их в единую гидравлическую сеть, ориентированную к скважине, которая и служит в качестве газоотводящей. Водоприток в скважину был незначителен, жидкость не оказывала существенного влияния на расход извлекаемой газовой смеси.
После подработки скважин очистными работами они использовались для дегазации углепородного массива, разгруженного от горного давления в режиме самоистечения и вакуумирования. На 10 скважинах, пробуренных на выемочных участках 9-й восточной, 48-й «бис», 54-й лав пластов К3, g2н выполнены экс-
периментальные исследования по установлению влияния пневмогидровоздействия на газоотдачу углепородного массива. При этом в одинаковых горно-геологических условиях дегазация осуществлялась скважинами, конструкция которых практически была одной и той же. Различие заключалось в том, что через одни скважины осуществляли пневмогидровоздействие пластов и пород, в других только перфорировали колонну труб в тех интервалах, где предполагали производить воздействие. Это позволило сопоставить их работу и выявить влияние воздействия на эффективность дегазационных скважин по извлечению метана из углепородного массива (табл. 2).
Анализ результатов работы дегазационных скважин на шахтах «Зуевская» и «Коммунист» показывает, что средний расход метана из скважин с воздействием в 1,3-1,7 раза превышает расход метана из скважин такой же конструкции, но без воздействия. При этом увеличивается время извлечения метана в
2-2,5 раза и соответственно объем каптируемого метана в 2,5-3,9 раза. Это объясняется тем, что в результате пневмогидровоздействия увеличивается проницаемость массива за счет раскрытия в основном вертикальных трещин и соединения их в единую газоотводящую систему, ориентированную на скважину, способствующую более полному извлечению метана. Кроме того в зоне разгрузки вследствие ведения очистных работ происходит повышенное трещинообразование (за счет соединения вертикальных трещин с полостями расслоения), а обруше-
ние пород кровли приводит к осушению массива, сопровождающиеся интенсивной газоотдачей массива, что подтверждено результатами работы дегазационных скважин (см.табл.2).
Выполнен цикл исследований по установлению влияния пневмогидровоздействия на снижение метано-выделения в горные выработки выемочных участков при проведении газовых съемок.
9-я восточная лава отрабатывала пласт К3 сплошной системой по простиранию. Конвейерный штрек опережал лаву на 100-120 м. Длина лавы 200 м. Природная газоносность пласта 29 м3/т.с.б.м. Пласт К3 относится к угрожаемым по внезапным выбросам. В лаве отработка пласта осуществлялась с применением текущего прогноза выбросоопасных зон по начальной скорости газовыделения из шпуров. Управление кровлей - полное обрушение. Схема проветривания - возвратноточная.
Таблица 2
Режим работы дегазационных скважин, разгруженных от горного давления углепородного массива
Шахта, лава Режим работы Средний расход метана, м3/мин. Содержа- ние метана, % Продолжи- тельность работы, сут. Объем извлеченного метана, тыс.м3 Примечание
«Зуевская» 9-я восточная вакуумирование 3,3 48-70 225-304 1100-1300 Выполнено ПГВ разрабатываемого пласта и пород
-"- 2,6 46—72 116-128 434-479 Без воздействия
«Коммунист»
48-я «бис», 54-я Самоистечение 2,5 96-98 200-320 700-1108 Выполнено ПГВ разрабатываемого пласта и пород
-"- 1,4 96-98 90-150 180-317 Без воздействия
9-я восточная лава
11.9 2,0
9.9
0,93
1098
596
»ЕТАПЧВЫДБ
48-я «бис»
6,85
По
54-я
лава
3,6
К І ИВПОС I И Д
9-я
новыр^ление
новыделение
Iі 5,59 новыделение
ранс<тва5 >жание метаї
570
іество6врзду>
1.3
2.3
0,56
862
715
восточная лава
60
62
48-я «бис» лава
55
П8Ы£ У'
а стков
батываемого
60
ного
50
й струе уча-32
о на участок
71
48
30
39
26
64-
9-я во точная
ава
66
63
44
86
31
6.
Фактическая нагрузка на лаву
Выемочный участок 48-й «бис» лавы пласта g2н отрабатывался комбинированной системой разработки. Длина лавы 250 м. Схема проветривания - возвратноточная.
54-я лава отрабатывалась столбовой системой разработки по восстанию. Длина очистного забоя лавы 214 м. Схема проветривания -прямоточная. Управление кровлей в лавах - полное обрушение. Лавы оборудованы механизированным комплексом 2КМ-87УМ.
Газовые съемки на выемочных участках проводились на различном расстоянии линии очистных забоев 9-й восточной, 48-й «бис» и 54-й лав до и после скважин пневмогидровоздействия. В этих же интервалах проводили измерения расхода метана в дегазационных скважинах. Основные сведения о метановыде-лении и эффективности дегазации выемочных участков шахт «Зуевская» и «Коммунист» приведены в табл.3.
Анализ данных табл. 3 показывает, что применение заблаговременной дегазации с последующим извлечением метана из разгруженного от горного давления углепородного массива позволило существенно улучшить газовую обстановку на выемочных участках 9-й восточной, 48-й «бис» и 54-й лав пластов
Г
07
335
т/сут.
К3 и g2н, увеличить нагрузку на очистные забои. Так среднесуточная добыча угля до подработки скважин (исходная зона) составляла 335-708 т/сут, а в зоне влияния скважин соответственно 596-960 т/сут. Увеличение добычи угля произошло за счет снижения метановыделения из разрабатываемых пластов К3, g2н в среднем на 62-71 % и уменьшения метановыделения в горные выработки выемочных участков из подработанного массива на 48-63 %.
При выполнении текущего прогноза в 9-й восточной лаве пласта К3 в исходной зоне (140-170 м до скважины пневмогидровоздействия) обнаружены опасные зоны. На выемочном участке для измерения начальной скорости газовыделения бурили шпуры диаметром 42 мм в соответствии с «Инструкцией по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа». Опасные зоны выявлены на расстоянии 50 м от верхней и нижней ниш, в середине лавы. В этих интервалах начальная скорость газо-выделения на отметке 3,5 м составляла 6,2-12 л/мин. Дальнейшая работа лавы производилась с применением гидрорыхления и выполнением мероприятий по обеспечению безопасности работающих. При
Исходная зона
48-я «бис» лава
15,1
4,4
10,7
1,2
928
708
54-я
лава
10,1
3,8
6,3
1,0
855
495
входе в зону пневмогидровоздействия отмечено снижение максимальной скорости газовыделения, средние значения которой на отметке
3,5 м составили 1,7-2,1 л/мин, гидрорыхление было отменено. В дальнейшем в зоне ПГВ лава была отработана без мероприятий с контролем эффективности по текущему прогнозу с замерами начальной скорости газовыделения в шпурах. Достигнутая эффективность способа заблаговременной дегазации пластов путем пневмогидровоздействия обеспечила технологический ритм работы выемочных участков шахт «Зуевская» и «Коммунист» при отсутствии простоев из-за сложной газовой обстановки в горных выработках, что позволило повысить нагрузку на очистные забои и безопасность горнорабочих.
Таким образом разработанный способ заблаговременной дегазации с последующим извлечением метана из подработанного массива обеспечивает метанобезопасность шахт и снижение выбросоопасности угольных пластов. Затраты на применение способа полностью окупаются за счет утилизации метана, увеличения нагрузок на забои, снижения потерь от простоев и аварий.
1
2
9
1
Буханцов А.ІІ. —кандидат техні і Порубай В.В. — инженер, ГХК
Наблюдения, рассуждения, и( ассоциации Ивана Семенович
Внедряющие плановики
Ес
Недавно с приятелем вспоминали историю, которую Хр _ съезде, о работе одной сапожной мастерской. Там два сапож стройку» из семи чиновников - организаторов производства. И та Сергеевич, такое и сегодня можно увидеть на каждом шагу Но все-таки масштабы стали скромнее. Конечно, в бюдж
