CC BY
32
УДК 622.817
А.М. Тимошенко, К.А. Тимошенко
ОАО «НЦ ВостНИИ»
Опыт применения дегазации разрабатываемых мощных пластов для снижения газообильности подготовительных выработок
на шахте им. В.И.Ленина
Представлен опыт применения дегазации мощного угольного пласта для снижения газообильности спаренных подготовительных выработок в процессе их проведения.
Экспериментальными исследованиями при проведении вентиляционного штрека установлено, что предложенная схема проведения дегазации угольного пласта дегазационными скважинами, пробуренными из спаренной выработки перпендикулярно трассе проведения отстающей подготовительной выработки, позволяет значительно повысить коэффициент эффективности ограждающей дегазации.
Ключевые слова: ДЕГАЗАЦИЯ, ГАЗООБИЛЬНОСТЬ ВЫРАБОТКИ, ДЕГАЗАЦИОННАЯ СКВАЖИНЫ, СХЕМА БУРЕНИЯ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДЕГАЗАЦИИ
A.M. Timoshenko, K.A. Timoshenko. Experience of degassing application at thick coal seams under work in order to reduce gas emission in preparation galleries at V.I.Lenin Mine
Experience of degassing application at thick coal seam in order to reduce gas emission in adjacent preparation galleries in the process of their development is presented.
Experimental researches during ventilation gallery heading showed that proposed scheme of coal seam degassing with degassing boreholes drilled from adjacent gallery across to the following behind preparation gallery allows to increase considerably efficiency of protecting degassing.
Key words: DEGASSING, OPENING GAS EMISSION, DEGASSING BOREHOLE, DRILLING SCHEME, DEGASSING EFFICIENCY
Увеличение глубины ведения горных работ и, как следствие, увеличение природной газоносности угольных пластов, а также повышение темпов проведения подготовительных выработок влечет за собой рост метанообильности подготовительных горных выработок, что требует значительного повышения эффективности применяемых способов дегазации разрабатываемых пластов.
Действующие в настоящее время нормативные документы, определяющие порядок применения различных способов дегазации разрабатываемых пластов, в том числе и при проведении подготовительных выработок, предусматривают традиционно применяемые многие годы способы дегазации, представленные на рисунке 1.
При проведении одиночных выработок дегазацию угольного массива вблизи проводимой выработки в соответствии с действующими нормативными документами рекомендуется осуществлять путем бурения барьерных скважин по схеме, представленной на рисунке 1,а, при проведении спаренных выработок - по схеме, представленной на рисунке 1,б.
Если парные выработки проводятся с опережением одного из забоев и ширина целика между выработками не превышает 15 м, то бурение барьерных скважин с обеих сторон выработки проводится только для опережающего забоя, а для выработки, проводимой с отставанием, бурение скважин со стороны целика необязательно.
Барьерные скважины бурятся из камер под углом 3-5о к оси выработки. Длина скважин - в пределах 100-150 м. Расстояние между камерами рекомендуется принимать на 15-20 м меньше длины скважин. Устья скважин должны располагаться на расстоянии 2-2,5 м от стенки выработки. Диаметр скважин должен быть 93-112 мм. Длина герметизации скважин - в пределах 6-10 м. В зависимости от мощности разрабатываемого пласта количество скважин может изменяться от 1 до 3 по каждому из бортов выработки.
В результате многолетнего опыта применения дегазации угольного массива при проведении подготовительных выработок с помощью барьерных скважин в различных горно-геологических условиях, в том числе и на шахте им. В.И.Ленина, где барьерная дегазация применяется уже более 20 лет при отработке мощных угольных пластов пологого залегания с разделением на слои, установлено, что коэффициент эффективности дегазации пласта колеблется в пределах Кпл = 0,15 - 0,20.
Эффективность данного способа дегазации не позволяет обеспечить требуемое снижение метановыделения подготовительных выработок для обеспечения скоростей проведения выработок более 200 м в месяц.
С целью определения возможности повышения коэффициента эффективности дегазации при проведении параллельных подготовительных выработок по первому слою мощных угольных пластов специалистами НЦ ВостНИИ совместно с работниками шахты им. В.И.Ленина была разработана и испытана схема дегазации, представленная на рисунке 2. Сущность этой схемы дегазации заключается в том, что при проведении спаренных подготовительных выработок один из забоев проводится с опережением относительно другого. В данном способе при проведении опережающей выработки дегазация угольного пласта осуществляется традиционным способом - путем бурения барьерных (ограждающих) скважин по бокам выработки по схеме, приведенной на рисунке 1,а.
а - при проведении одиночных выработок; б - при проведении парных выработок; 1 - штрек; 2 - камера; 3 - барьерная дегазационная скважина
Рисунок 1 - Схемы дегазации барьерными скважинами при проведении подготовительных
выработок по пологим пластам
Дегазация угольного пласта по трассе проведения отстающей подготовительной выработки производится из опережающей подготовительной выработки по мере ее проведения путем бурения кустов дегазационных скважин, перпендикулярных трассе проведения выработки. В зависимости от мощности угольного пласта куст может состоять из 2-3 дегазационных скважин. Одна скважина бурится по первому слою, вторая (третья) - по оставляемой пачке угля. Длина скважин принималась из расчета, чтобы их забои пересекли трассу будущей выработки на 4-5 м.
Экспериментальные работы в ОАО «Шахта им. В.И.Ленина» были выполнены при проведении вентиляционного штрека 0-5-1-15 по пласту !У-У.
По данным геологоразведочных работ пласт !У-У общей мощностью тп = 9,55 м на участке проведения вентиляционного штрека 0-5-1-15 состоит из нескольких угольных пачек, разделенных прослоями алевролита от 0,05 до 0,20 м.
Высота вентиляционного штрека по первому слою равна 3,5 м. Мощность оставляемой пачки угля составляет тн = 6,05 м.
а - при бурении скважин по падению пласта; б - при бурении скважин по восстанию пласта;
1 - штрек; 2 - камера; 3 - барьерные скважины; 4 - параллельно-одиночные скважины;
5 - сбойка
Рисунок 2 - Схемы дегазации барьерными и параллельно-одиночными скважинами при проведении подготовительных выработок по мощным пологим пластам
Уголь пласта крепкий. В угле постоянно присутствуют трещины кливажа, которые интенсивно развиты во второй и третьей пачках угля. Повсеместно по простиранию пласта присутствуют геологические нарушения, хотя и без разрыва сплошности угольного пласта, но с развитой трещи-новатостью. Кроме того, развита и послойная трещиноватость. Все эти виды трещин служат не только коллекторами метана, но и путями его перемещения в подготовительную выработку.
Природная газоносность пласта !У-У на глубине проведения вентиляционного штрека 0-51-15 составляет х3 = 20,0 м3/т с.б.м, в пересчете на уголь при А3= 22,7% и = 3,3% х = 14,8 м3/т.
По данным прогноза, метановыделение в тупиковую часть вентиляционного штрека 0-5-115 длиной 200 м составляет 1п = 9,95 м /мин. Аналогичное газовыделение ожидалось и при проведении конвейерного штрека 0-5-1-13, который проводится параллельно вентиляционному штреку 0-5-1-15.
Для снижения газовыделения в подготовительные выработки первоначально дегазация пласта осуществлялась посредством бурения барьерных скважин по бортам выработок как со стороны угольного массива лавы 0-5-1-13, так и со стороны лавы 0-5-1-15. Кроме того, бурение барьерных скважин осуществлялось и по бокам целика. Бурение скважин производилось из специальных ниш, а со стороны целика - и из сбоек. Расстояние между нишами было на 15-20 м меньше длины скважин. Устья скважин располагались на расстоянии 1,5-2,5 м от стенки выработки.
Учитывая, что общая мощность пласта равна 9,55 м, скважины из каждой камеры (сбойки) бурят в три ряда: скв. №1 - по верхнему слою, скв. №2 - по оставляемой пачке угля (второй слой) и скв. №3 - под почву проводимой выработки.
При осуществлении дегазации с помощью барьерных скважин каптаж метана главным образом осуществляется из боков выработки позади забоя в период разгрузки пласта от горного давления. Угольный же массив впереди забоя выработки при бурении ограждающих скважин дегазировался в меньшей степени, поэтому газовыделение из плоскости забоя и отбитого угля оставалось высоким и в общем газовом балансе тупиковой части выработки занимало доминирующее значение. Кроме того, в призабойное пространство выработки активно выделялся метан из оставляемой пачки угля в результате ее разгрузки от горного давления.
По данным специалистов шахты, при каптаже метана с помощью барьерных скважин для проветривания призабойного пространства вентиляционного штрека 0-5-1-15 подавался свежий воздух в количестве 0зл = 640 м /мин. Концентрация метана в этот период, по данным автоматической аппаратуры системы АГК, достигала 0,8%. Следовательно, метановыделение (фактическое) при применении ограждающей дегазации составляло I = 0,01 640 0,8 = 5,12 м /мин.
По прогнозу газовыделение в призабойное пространство штрека ожидалось на уровне 1зп = 6,62 м3/мин.
Эффективность дегазации в соответствии с нормативными документами по дегазации угольных шахт оценивается коэффициентом дегазации, равным отношению величины снижения газообильности горной выработки за счет дегазации к газообильности выработки без применения дегазации:
I -1' К =—•
где Кд - коэффициент дегазации, доли единицы;
I - метановыделение в выработку (фактическое или прогнозное) без применения дегазации, м /мин;
I' - метановыделение в выработку при применении дегазации, м3/мин.
При I = 6,62 м3/мин; 1'= 5,12 м3/мин
6,62- 5,12
Кд = --— = 0,22 .
д 6,62
Для осуществления дегазации угольного массива по схеме, приведенной на рисунке 2,а, дегазационные скважины из конвейерного штрека 0-5-1-13 в область проведения вентиляционного штрека 0-5-1-15 были пробурены таким образом, чтобы один ряд скважин (верхний) располагался вблизи оси будущей выработки, а другой ряд - по оставляемой пачке угля в 1,5-2,0 м от почвы выработки. Расстояние между кустами скважин по простиранию выработки составляло 10-12 м. Схема бурения скважин представлена на рисунке 3. Скважины не только пересекали периметр будущей выработки, но и на 4-5 м углублялись в боковую часть выработки по падению пласта. Для повышения эффективности дегазации угольного массива скважины бурились и подключались к дегазационной сети заблаговременно в 80-95 м впереди забоя выработки.
Учитывая, что пластовые скважины, попадающие в зону опорного давления впереди забоя выработки, отличаются повышенной газоотдачей (передовая дегазация), скважины, пробуренные по первому слою, отключались от дегазационной сети только после их вскрытия подготовитель-
ным забоем, а скважины, пробуренные по второму слою, продолжали функционировать и позади забоя до момента, когда концентрация метана в каптируемой смеси не снижалась до уровня 3-4%.
Для установления влияния зоны опорного давления на угольный пласт и зоны его разгрузки, образующихся впереди забоя подготовительной выработки, на увеличение дебита скважин в 95 м впереди забоя выработки был пробурен куст контрольных скважин (рисунок 3, скв. №8 и 8'), которые были оставлены для естественного истечения метана. Скважина № 8 пробурена в первый слой, скважина №8' - в оставляемую пачку угля. Замер дебита скважин и содержания метана в смеси производился ежесуточно. Результаты замеров приведены в таблице 1, а также изображены на рисунках 4 и 5.
Для исключения взаимного влияния на дебит контрольных скважин соседних кустов скважин, подключенных к дегазационному трубопроводу, расстояние между контрольным кустом скважин и соседними было увеличено до 18-20 м (см. рисунок 3).
Каждый куст скважин, подключенный к дегазационному трубопроводу, был оборудован измерительными диафрагмами. Замеры перепада давления на диафрагмах, содержания метана в каптируемой смеси и разрежения в устьях скважин также производились ежесуточно. Одновременно с замерами дебита метана производился замер расстояния между забоем выработки и скважинами. Кроме того, каждую смену производился замер содержания метана в призабойном пространстве подготовительной выработки.
Так как методика измерений дебита метана при его естественном истечении из скважин является наиболее достоверной по отношению к методике измерений дебита метана с помощью диафрагм из скважин, находящихся под вакуумом, в дальнейшем анализ дебита метана из скважин в зависимости от их удаленности от забоя выработки осуществлялся только по контрольным скважинам № 8 и 8'.
Примерно до 16 м от забоя выработки осуществлялась предварительная дегазация пласта без изменения горного давления. На этом участке длиной I = 95 - 16 = 79 м дебит скважин монотонно уменьшался во времени главным образом за счет истощения угольного массива. Дегазация угольного массива в пределах этого отрезка продолжалась около 11 сут. За этот промежуток времени удельное газовыделение из скважины № 8 уменьшилось с 11,4 до 5,6 м /(м-сут), а из скважины 8' - с 13,6 до 10,4 м3/(м-сут).
В среднем удельное газовыделение для нисходящих скважин, пробуренных в плоскости пласта , составляет qо= 8,6 м /(м-сут).
Начиная с расстояния 15-17 м до забоя выработки, дебит скважин стал резко возрастать. По скважине №8 он увеличился с 5,6 до 9,4 м /(м-сут), т.е. на 68%, а по скважине №8' - с 10,4 до 14,7 м3/(м-сут), т.е. на 41%.
Рисунок 3 - Схема бурения экспериментальных скважин
Таблица 1 - Результаты контроля дебита метана в контрольные скважины
Дата Концентрация метана С, % Расход Q, м3/мин Абсолютное газовыделение, Удельное газовыде- Расстояние от
замера м3/мин ление из забоя вы-
в в забое в исхо- смеси воздуха сква- выра- скважины работки
сква- выра- дящей из из сква- в выра- жины ботки Яо, м /(м ■ до сква-
жине ботки выра- жины ботке сут) жины
ботки Ь, м
струе
Дегазационная скважина № 8, длина скважины 42 м, диаметр 100 мм
20.05.05 90 0,2 0,45 0,16 870 0,15 3,92 5,09 -
23.05.05 88 0,2 0,4 0,16 860 0,14 3,44 4,83 -
24.05.05 86 0,2 0,4 0,38 860 0,33 3,44 11,25 -
25.05.05 87 0,2 0,45 0,37 880 0,32 3,96 11,10 85
26.05.05 88 0,12 0,35 0,38 890 0,33 3,12 11,37 82
27.05.05 89 0,1 0,3 0,31 900 0,27 2,70 9,34 76
28.05.05 90 0,2 0,35 0,30 910 0,27 3,19 9,30 68
29.05.05 74 0,2 0,4 0,29 870 0,22 3,48 7,41 59,5
30.05.05 70 0,21 0,4 0,30 740 0,21 2,96 7,12 54,5
31.05.05 80 0,2 0,42 0,31 810 0,25 3,40 8,53 42,5
01.06.05 84 0,2 0,4 0,21 740 0,18 2,96 6,10 35
02.06.05 82 0,18 0,38 0,24 820 0,19 3,12 6,62 32
03.06.05 84 0,2 0,4 0,24 810 0,20 3,24 6,92 25
04.06.05 72 0,2 0,5 0,19 820 0,14 4,10 4,77 25
05.06.05 78 0,2 0,42 0,20 850 0,15 3,57 5,29 16
06.06.05 92 0,21 0,38 0,29 810 0,27 3,08 9,21 8,4
07.06.05 84 0,2 0,4 0,14 830 0,12 3,32 4,07 0
08.06.05 82 0,15 0,4 0,13 840 0,11 3,36 3,71 0
09.06.05 15 0,1 0,35 0,01 910 0,00 3,19 0,07 -
10.06.05 10 0,2 0,33 0,01 840 0,00 2,77 0,05 -
!ср 3,315
Дегазационная скважина № 81, длина скважины 41 м, диаметр 100 мм
20.05.05 100 0,2 0,45 0,41 870 0,41 3,92 14,23 -
23.05.05 100 0,2 0,4 0,40 860 0,40 3,44 13,90 -
24.05.05 98 0,2 0,4 0,39 860 0,38 3,44 13,46 -
25.05.05 98 0,2 0,45 0,39 880 0,38 3,96 13,29 85
26.05.05 99 0,12 0,35 0,40 890 0,39 3,12 13,76 82
27.05.05 89 0,1 0,3 0,37 900 0,33 2,70 11,63 76
28.05.05 90 0,2 0,35 0,35 910 0,31 3,19 11,02 68
29.05.05 96 0,2 0,4 0,36 870 0,34 3,48 12,07 59,5
30.05.05 94 0,21 0,4 0,37 740 0,35 2,96 12,13 54,5
31.05.05 92 0,2 0,42 0,38 810 0,35 3,40 12,18 42,5
01.06.05 95 0,2 0,4 0,35 740 0,33 2,96 11,63 35
02.06.05 84 0,18 0,38 0,36 820 0,30 3,12 10,56 32
03.06.05 88 0,2 0,4 0,34 810 0,30 3,24 10,63 25
04.06.05 100 0,21 0,5 0,33 830 0,33 4,15 11,75 25
05.06.05 100 0,3 0,42 0,39 720 0,39 3,02 13,73 16
06.06.05 100 0,22 0,38 0,41 830 0,41 3,15 14,23 8,4
07.06.05 100 0,2 0,4 0,41 840 0,41 3,36 14,39 0
08.06.05 100 0,2 0,4 0,41 900 0,41 3,60 14,56 0
09.06.05 100 0,1 0,35 0,41 840 0,41 2,94 14,23 -8,5
10.06.05 100 0,2 0,33 0,39 830 0,39 2,74 13,73 -8,5
14.06.05 93 0,2 0,43 0,40 840 0,37 3,61 12,92 -18,5
15.06.05 83 0,21 0,41 0,34 850 0,29 3,49 10,02 -26
16.06.05 82 0,2 0,4 0,33 900 0,27 3,60 9,63 -33
17.06.05 80 0,2 0,35 0,32 870 0,26 3,05 9,13 -37
20.06.05 74 0,2 0,34 0,31 850 0,23 2,89 7,96 -48
21.06.05 65 0,2 0,4 0,29 770 0,19 3,08 6,56 -51,5
22.06.05 45 0,2 0,4 0,25 890 0,11 3,56 4,02 -56,5
Окончание таблицы 1
Дата замера Концентрация метана С, % Расход Q, м3/мин Абсолютное газовыделение, м3/мин Удельное газовыделение из скважины Яо, м /(м ■ сут) Расстояние от забоя выработки до скважины Ь, м
в скважине в забое выработки в исходящей из выработки струе смеси из скважины воздуха в выработке скважины выработки
23.06.05 44 0,2 0,4 0,24 840 0,11 3,36 3,78 -60,5
24.06.05 41 0,22 0,45 0,17 680 0,07 3,06 2,44 -67
25.06.05 40 0,2 0,4 0,16 740 0,07 2,96 2,32 -67
26.06.05 36 0,23 0,36 0,15 760 0,05 2,74 1,91 -69,5
28.06.05 32 0,25 0,35 0,14 790 0,05 2,77 1,59 -75
29.06.05 28 0,2 0,34 0,12 900 0,03 3,06 1,20 -75
30.06.05 25 0,2 0,35 0,06 840 0,02 2,94 0,54 -80,5
01.07.05 23 0,15 0,34 0,06 860 0,01 2,92 0,46 -84
04.07.05 18 0,13 0,3 0,05 840 0,01 2,52 0,30 -88
05.07.05 15 0,13 0,3 0,04 780 0,01 2,34 0,22 -94
06.07.05 15 0,13 0,3 0,04 740 0,01 2,22 0,22 -94
07.07.05 19 0,12 0,4 0,05 800 0,01 3,20 0,31 -94
08.07.05 18 0,11 0,4 0,04 840 0,01 3,36 0,27 -94
11.07.05 14 0,2 0,35 0,04 730 0,01 2,56 0,19 -98
12.07.05 10 0,2 0,3 0,02 820 0,00 2,46 0,07 -103
13.07.05 7 0,2 0,32 0,01 800 0,00 2,56 0,02 -103
1ср 2,959 0
Расстояние от забоя до скважины, м
Рисунок 4 - Изменение удельного газовыделения из дегазационной скважины №8 в зависимости от приближения подготовительного забоя к скважине
16,00
^ 14,00
12,00
*
го со
10,00
^ 8,00
ф
с; ф
.о со о
ф о
с; ф
чд
>
6,00
4,00
2,00
0,00
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40
Расстояние от забоя до скважины, м
60
80
100
Рисунок 5 - Изменение удельного газовыделения из дегазационной скважины №81 в зависимости от приближения подготовительного забоя к скважине
При расстоянии 3-4 м от забоя выработки до скважины №8, пробуренной в первый слой, ее дебит из-за снижения проницаемости угольного массива в результате воздействия повышенного горного давления, формирующегося впереди забоя подготовительной выработки, стал резко уменьшаться, а при сокращении расстояния до 1-1,5 м газовыделение из скважины практически прекратилось. Дебит же скважины № 8' , пробуренной в оставляемую пачку угля, в результате разгрузки угольного пласта от горного давления продолжал удерживаться на достаточно высоком уровне. В течение 10 сут он в среднем удерживался на уровне д = 11,7 м /(м сут). За этот промежуток времени забой подготовительной выработки отошел от скважины на расстояние 37 м. При удалении забоя выработки от скважины на 67 м дебит ее снизился до 2,4 м3/(мсут), а при удалении на 80 м - до 0,6 м /(м сут) при содержании метана в смеси 7%. Как видно из данных, приведенных в таблице 1, концентрация метана в скважине по мере увеличения расстояния от скважины до забоя выработки монотонно уменьшается вследствие истощения угольного массива.
ВЫВОДЫ
1 Анализ газовыделения из экспериментальных скважин показал, что применение данного способа дегазации угольного пласта в зоне проведения подготовительных выработок позволяет снизить газообильность призабойного пространства подготовительной выработки с 6,62 до 2,96 м3/мин, обеспечивая тем самым коэффициент эффективности дегазации пласта в зоне проведения выработки на уровне
6,62- 2,96 = -6662- = 055 ■
2 Данным способом дегазации обеспечивается не только снижение газообильности при-забойного пространства подготовительной выработки, но и всей подготовительной выработки за счет снижения газовыделения из стенок выработки.
3 Применение данного способа дегазации за счет концентрации дегазационных работ в одной выработке позволяет сократить объем дегазационной сети и количество единиц буровой техники.
