Перспективный анализ способов дегазации Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

1. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. Макеевка-Донбасс, 1989.

— Коротко об авторах -----------------------------------------------

Каледина Нина Олеговна - профессор, доктор технических наук, зав. кафедрой «Аэрология и охрана труда»,

Рыжов А.В.,

Московский государственный горный университет.

Вальц В.А. - горный инженер, ш. «Распадская».

© К.С. Коликов, Ю.Н. Бобнев,

2007

УДК 622.41

К.С. Коликов, Ю.Н. Бобнев

ПЕРСПЕКТИВНЫЙ АНАЛИЗ СПОСОБОВ ДЕГАЗАЦИИ

1Эсе большую актуальность на современном этапе приобре-

А#тают вопросы обеспечения метанобезопас-ности. Во многом это связано с рядом крупных аварий на шахтах СНГ в последние годы.

Смертельный травматизм от взрывов метановоздушных смесей в постсоветское время вырос в среднем более чем в 7 раз [1]. Отмечается достаточно высокая частота аварийных ситуаций на шахтах с широким диапазоном газообильности, при этом относительно невысокая их частота на наиболее метанообильных шахтах Воркуты. При этом применение дегазации в Кузбассе значительно сократилось: с 48 шахт в 1990 г. до 13 в 2002 г. [1] и причиной является не только реструктуризация угольной отрасли. Кроме этого изменилась и структура применяемых способов дегазации. Так, в наиболее развитом в дегазационном отношении Карагандинском угольном бассейне за последние 20 лет более чем в два раза снизилось извлечение метана предварительной дегазацией: с 29 % в 1984 г. [2] до 12,5 % в 2002 г. В связи с этим одним из основных принципов, заложенных в «Концепции обеспечения метанобезопасности угольных шахт России на 2006-2010 гг.», является обеспечение эффективного извлечения метана на всех стадиях разработки угольных месторождений.

Одной из основных проблем угольной отрасли является возрастающая диспропорция между темпами ведения очистных и подготовительных работ. Причиной этого является то, что при постоянном снижении эффективности дегазации подготовительных выработок, эффективность дегазации очистных работ достаточно устойчива и при комплексных схемах достигает 60-80 %. Снижается и эффективность локальных способов предотвращения газодинамических явлений. Эта тенденция в перспективе только усилится в связи с ожидаемым ростом нагрузок на очистные работы. Кроме того, в последние годы отмечено более резкое сокращение добычи энергетических углей, что приводит к увеличению доли коксующихся, которые характеризуются более высокой газоносностью и выбросоопасностью. Это приводит к необходимости совершенствования существующих и разработке новых способов дегазации.

Следует особо отметить, что извлечение и использование метана не поставлено на коммерческую основу и в целом ряде случаев, при ограничениях по вентиляции, дегазация используется для выноса метановоздушной смеси некондиционного состава, что сокращает расширение области его прямого сжигания. Так доля ВНС с концентрацией до 20 % [1] превышает 36 %, а без учета ВНС шахт Печорского бассейна она достигает 50 %.

В этих условиях интерес представляет комплексный анализ способов дегазации позволяющий выделить наиболее перспективные способы как по требованиям горных работ, так и потребителей шахтного метана.

Анализируя состояние и перспективы дегазационных работ, следует выделить две группы определяющих факторов:

- горно-геологические,

- организационно-технические.

Первая группа в основном обусловлена постоянным увеличением глубины ведения горных работ и, как правило, ростом газоносности и горного давления, которое приводит к снижению проницаемости угольных пластов.

Газоносность угольных платов ниже зоны газового выветривания практически по всем месторождениям СНГ растет с глубиной, стабилизируясь на глубинах 400-700 м.

Наблюдавшуюся тенденцию увеличения количества извлекаемого метана в 60-80 годы в большей степени следует отнести не к росту глубины разработки, а к совершенствованию технологии ведения дегазационных работ за этот период. Анализ изменения эффективности дегазации с глубиной показывают следующее. С увеличением газоносности угольного пласта количество извлекаемого газа растет до глубины 400-500 м. В дальнейшем снижение проницаемости пластов приводит к уменьшению дебита метана из скважин.

В настоящее время разработаны и используются более 30 способов и технологических схем дегазации. Среди них наиболее распространены:

- дегазация выработанного пространства скважинами,

пробуренными с поверхности;

- дегазация выработанного пространства и спутников

скважинами, пробуренными их подготовительных выработок;

- предварительная пластовая дегазация;

- барьерная дегазация.

Необходимо отметить, что дегазация вертикальными скважинами с поверхности имеет весьма серьезный недостаток: хотя выделение из вертикальных скважин большое, влияние их на га-зовыделение в выработки относительно невелико и уменьшается с увеличением расстояния до лавы. Это объясняется тем, что значительную долю извлекаемого ими метана составляет метан, выделяющийся из пластов, пропластков и слоев пород, удаленных от разрабатываемого пласта. В обычных условиях метан из указанных источников не проникает в выработанное пространство или выделяется в небольших количествах.

Вертикальные скважины увеличивают извлечение метана из подработанных пластов и пород в 1,5-2 раза, т.е. являются не столько дегазирующими, сколько метанодобывающими. Другой недостаток способа - высокая стоимость пробуренных с поверхности вертикальных скважин. На глубинах более 400 м стоимость бурения скважины существенно зависит от ее диаметра, а на глубинах более 600 м значительно увеличивается и аварийность скважин.

Эффективность работы скважин во многом определяется правильным выбором параметров их заложения (расстояние от забоя скважины до вентиляционного штрека, расстояние между скважинами, величина рабочей зоны скважин) и режимом работы (разрежение на устье скважины). С увеличением глубины дебит этих скважин также падает в результате более быстрого восстановления горного давления.

Перспективы данного способа связаны с переходом на использование скважин сложного профиля [3], рабочая часть которых располагается непосредственно за границей зоны полных сдвижений боковых пород и по касательной к направлению перемещения разрушенных блоков, но в пределах зоны разгрузки.

В условиях высокопроизводительных лав при большой скорости подвигания очистных забоев значительно сокращается возможность применения обычных схем предварительной дегазации из-за уменьшения интервала между окончанием подготовки выемочного столба и началом очистных работ. Это сокращает период активной работы дегазационных скважин. Эффективность предварительной дегазации определяется газопроницаемостью угольных пластов, сеткой заложения скважин и продолжи-

тельностью их эксплуатации. Снижение проницаемости приводит к сгущению сетки скважин.

Значительно повысить эффективность пластовой дегазации удалось при комплексном способе, где пластовые скважины были использованы в зонах гидрорасчленения. Коэффициент интенсификации газовыделения на глубинах 400-500 м при этом составил 3-7, а концентрация метана изменилась от 21 до 90 % и среднем составляла 48 %, что выше, чем у обычных пластовых.

Вместо скважин в некоторых случаях используется проведение газодренажных выработок по разгружаемому пласту или газоносным породам. Однако параметры извлекаемой метановоздушной смеси изменяются в широких диапазонах. Эффективное использование способа во многом определяется составом вмещающих пород напряженно-деформиро-ванным состоянием углепородного массива.

Широко используется дегазация спутников скважинами, пробуренными из горных выработок. Наиболее успешно этот способ применяется на шахтах Воркутинского бассейна и обеспечивает эффективность до 60 и более процентов. Бурение этих скважин осуществляется с конвейерного штрека после посадки основной кровли. Параметры заложения определяются свойствами и структурой вмещающих пород, основным является мощность междупластья. Одним из основных недостатков данного способа является то, что для сохранности скважин их бурение осуществляют после прохода лавы, приводящее к отставанию дегазационных работ от очистных. Следовательно, с увеличением нагрузок эффективность способа значительно снизится.

Все более широкое применение находит использование дренажных выработок. На современном этапе это направление является наиболее эффективным, однако проблема метанобезопас-ности может быть решена только при комплексном решении управления газовыделением отдельных источников.

Следует отметить, что на практике часто наблюдается значительное повышение доли кондиционного газа в случае перехода к утилизации. Определяется это тем, что без утилизации определяющим является только один критерий - газообильность участка и, следовательно, максимальный съем газа средствами дегазации.

При утилизации концентрация метана должна быть не менее 25 %, т.е. добавляется еще один критерий оценки функционирования дегазационной сети.

Большое влияние на компонентный состав смеси оказывает качество выполнения дегазационных работ. Устранение подсосов по ставу, достигающих 60-70 %, позволяет значительно повысить концентрацию метана. Отключение отдельных элементов с низкой концентрацией метана, как правило, незначительно влияет на суммарный съем, но существенно повышает концентрацию метана.

Критический анализ способов дегазации с учетом требований утилизации и перспективный анализ способов извлечения метана с увеличением глубины разработки позволяют научно обоснованно подойти к конструированию технологических схем извлечения кондиционного метана.

В таблице приведены способы дегазации, обеспечивающие извлечение кондиционной смеси, и перспективные с углублением горных работ способы.

При анализе таблицы видно, что большинство способов, обеспечивающих извлечение кондиционной смеси, перспективны также с ростом глубины разработки. Основой этих способов является искусственное повышение проницаемости пласта. Для увязки технологических схем извлечения кондиционной смеси с программой развития горных работ классификационным признаком можно считать степень разгруженности пласта от горного давления и необходимый срок дегазационной подготовки шахтного поля или его части.

Сравнение способов дегазации по кондиционности смеси и перспективным направлениям с глубиной

Способы, обеспечивающие извлечение кондиционной смеси Перспективные способы, применяемые с углублением горных работ

Пластовые скважины -

Пластовые скважины в зонах гидродинамического воздействия Пластовые скважины в зонах гидродинамического воздействия

Подземные скважины на спутники, использующие эффект разгрузки Подземные скважины на спутники, использующие эффект разгрузки

Скважины, пробуренные через меж-дупластье, с активным воздействием и в зонах расчленения Скважины, пробуренные через меж-дупластье, с активным воздействием и в зонах расчленения

Вертикальные скважины, пробуренные в над- и подработанный массив Направленные скважины

Скважины гидрорасчленения Скважины гидрорасчленения с закреплением системы трещин

Таким образом, в современных условиях особый интерес представляют те способы дегазации, которые обеспечивают и высокую эффективность дегазации и извлечение газа с высокой концентрацией метана. Наиболее рациональным представляется следующая схема:

- отработка сближенных угольных пластов ведется в восходящем порядке, что позволяет использовать эффект разгрузки, а метан извлекается из массива при концентрации 50-70 %;

- для снижения газовыделения из разрабатываемого пласта используется предварительная дегазация, а управление газовыделе-нием добычных участков осуществляется с использованием комплексных методов;

- одиночные пласты и пласты, первоочередной обработки дегазируются заблаговременно через скважины с поверхности с использованием активных воздействий.

--------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Рубан А.Д., Забурдяев В.С., Забурдяев Г.С. Оценка ресурсов и объемов извлечения метана при подземной разработке угольных месторождений России. -М.: ИПКОН РАН, 2005. -152 с.

2. Баймухаметов С.К., Швец И.А. Организация дегазационных работ в Карагандинском бассейне// Уголь, 1985, № 3. С.3-6.

3. Ярунин С.А., Диколенко Е.Я., Пережилов А.Е., Лукаш А.С. Технология гидродинамического воздействия на газовыбросоопасный углепородный массив через скважины с профилем пространственного типа. - М.: ПолиМЕдиа, 1996. -430 с.

— Коротко об авторах -----------------------------------

Коликов К. С. - Московский государственный горный университет, Бобнев Ю.Н. - УД АО «Миттал Стил Темиртау».