Повышение эффективности дегазации разрабатываемого пласта Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

2. Отчет по НИР «Разработка способа и создание средств пульсирующей вентиляции газообильных горных выработок» Москва: каф. АОТ

2002 г.

3. Отчет по НИР «Разработка способа и создание средств пульсирующей вентиляции газообильных горных выработок» Москва: каф. АОТ

2003 г.

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

Филин Александр Эдуардович - Московский государственный горный университет.

^-------------------------------------© м.в. шинкевич, н.ю. Назаров,

2006

УДК 622.371

М.В. Шинкевич, Н.Ю. Назаров

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕГАЗАЦИИ РАЗРАБАТЫВАЕМОГО ПЛАСТА

Наблюдающийся в настоящий период рост добычи угля в Кузнецком угольном бассейне сопровождается выраженной тенденцией роста производительности выемочных участков, особенно при разработке пологих пластов комплексно-механизированными забоями. Однако отработка многих лав ведется с существенно ограниченной по газовому фактору производительностью. Эти обстоятельства заставляют признать, что наиболее распространенная в Кузбассе комбинированная схема проветривания [1] комплексномеханизированного вые-мочного участка, основанная на разжижении меньшей части выделяющегося метана вентиляционной струей и оттеснении от забоя с последующим изолированным отводом большей составляющей газового баланса, требует преобразования в комплексную схему.

В 60-80-х годах проф. А.А. Мясниковым для рассматриваемых условий было предложено комплексное управление газовыделением на выемочном участке, частным случаем ко-

торой и явилась комбинированная схема, не имеющая третьего способа управления газовыми потоками - дегазации разрабатываемого пласта и выработанного пространства. За прошедшие годы в мировой практике произошел существенный прогресс в части технологий дегазации угольных пластов и средств бурения скважин. Эффективное использование этого научно-технического потенциала для повышения производительности шахт и забоев требует разработки соответствующего метода определения параметров комплексного управления газовыделением [2] на основе исследования закономерностей аэрогазодинамических процессов на выемочных участках угольных шахт.

Кроме того, в 90-х годах международные экологические организации подняли вопрос об обязательности утилизации

+ ускатская свита О пласт Поленовский

• предельная метаноносность пластов свиты — предельная метаноносность пласта Поленовского

Рис. 1. Газоносность пластов ускатской свиты на Ленинском месторождении Кузбасса

шахтного метана [3], как одного из "парниковых" газов. Так как метан является весьма ценным химическим и экологически чистым энергетическим сырьем, то локальные участки его попутной добычи (шахты) являются и энергопотребителями с вполне соответствующим потенциалом, что создает

достаточные условия для рационального природопользования.

Исследования выполнялись по фактическим данным горных работ ОАО "Шахта "Кирова" (Кузбасс). Отрабатываемый шахтой пласт Поленовский залегает на глубине 247 м. По данным геологических материалов (рис. 1) считается высоко газоносным, что может служить одним из объяснений возникновения трудностей с управлением газовыделением при добыче угля.

При средних значениях мощности 1,72 м, газоносности 12,1 м3/т и выход летучих веществ 41,5% изменчивость свойств угля пласта Поленовского, весьма значительна. Находясь, по степени метаморфизма, у границы каменных и бурых углей, он имеет весьма низкую сорбционную способность. Согласно общепринятым в рудничной аэрогазодинамике положениям теорий сорбции и фильтрации, пласт должен был основную часть своего газосодержания выделить за период отработки в выработанное пространство вышележащего пласта Болдыревского. Однако уже при отходе лавы № 2587 от монтажной камеры, явно за зоной ПГД, метано-обильность очистного забоя создала серьезные затруднения в его проветривании. Формально, эта особенность соответствует нормативам, т.к. регламентированная ими величина зоны защитной надработки составляет 35 м, а среднее значение мощности междупластья около 50 м. Но в период установления этого нормативного параметра длины лав были в несколько раз меньше. Увеличение длины объективно должно приводить к соответствующему росту и глубины защитного влияния, что динамикой метанообильности забоя не подтверждается и, следовательно, нуждается в уточнении.

Высокая изменчивость мощности пласта на площади выемочного поля указывает на возможность активного участия и горного давления в провоцировании газодинамических процессов при ведении всех видов горных работ от бурения скважин до очистных. В этих условиях призабойная часть пласта, меняя свое напряженно-деформированное состояние, оказывается столь неравномерно нагруженной по длине лавы, что может рассматриваться в виде отдельных целиков с различной несущей способностью. Разрушение наиболее

слабой части приводит к перегрузкам в соседних и т.д. Процесс подобен в некоторой мере «истиранию» пласта с интенсификацией его распада на твердую и газовую составляющие.

Изменчивость мощности и по оси выемочного столба тоже приводит к неравномерности изменения напряженно-деформи-рованного состояния. Наличие на некотором расстоянии от плоскости забоя зоны угля с низкой прочностью вызывает скачкообразное перемещение зоны максимальных напряжений при разрушении целика прочного угля с соответствующим ростом газопроницаемости и, следовательно, га-зопритока из приконтурной части пласта.

Основной причиной напряженности газовой обстановки при отработке пласта Поленовского является повышенная скорость выделения метана при отбойке и транспортировании угля. Реакция призабойной части пласта на выемку угля наглядно демонстрирует активное участие газа в процессе деформирования. Аналогичная реакция имеет место и при бурении дегазационных скважин. И только наличие водяной пробки и давления в ней, скважины бурились сверху в низ, предотвращает процесс саморазрушения с повышенным выходом бурового штыба и формированием полостей неконтролируемых размеров. Прежде всего, необходимо рассмотреть особенности бурения и существования дегазационных скважин в условиях повышенной механической и газодинамической деструкции пласта.

В этих условиях следует ожидать, что бурение скважин из конвейерного штрека, более эффективное с точки зрения дегазации пласта, но не сопровождающееся подпором забоя и бортов скважины водяной пробкой, приведет к зажиму бурового инструмента. Применение станков с высокой скоростью бурения весьма проблематично, а турбинное бурение способно перевести режим в гидрогазовымыв полостей. Более того, нередки случаи «затекания» скважин после окончания бурения, т.к. газодинамически активный пласт обладает квазитекучестью. Но газоистощение угля в прискважинной зоне снимает этот фактор. При повторном, через несколько суток, бурении скважины устойчивость ее стенок существенно повышается.

В связи с небольшой мощностью и глубиной залегания разрабатываемого пласта линия зоны газового дренирования призабойной части уже при суточной добыче 2000 т/сут приближается к плоскости забоя [4]. Поэтому при увеличении нагрузки на забой метановыделение из призабойной части пласта в период цикла выемки угля незначительно.

Для расчетов метанообильности очистного забоя в условиях, существенно отличающихся от предусмотренных действующими нормативами, с использованием положений гипотезы твердых углеметановых растворов [5] получена следующая зависимость

I = Vктв- кСз (1 +1)с3-1)+1п.з, (1)

где I - метанообильность очистного забоя, м3/мин; Vк - рабочая скорость комбайна, м/мин; тв - мощность пласта, м; 11з- глубина выемки, м; р = 1,4 - плотность угля, т/м3; х - газоносность пласта, м3/т; к = 0,86 и С3 = 0,98 - эмпирические коэффициенты; t - время работы комбайна, мин; 1пз - мета-новыделение с поверхности забоя, м3/мин.

Эмпирические коэффициенты определялись по динамике метанообильности конвейерного штрека (рис. 2) на участке от

Рис. 2. Расчетные и фактические значения выделения метана из угля, транспортируемого по конвейерному штреку

его сопряжений с лавой и воздухоподающей сбойкой на нижележащий штрек.

Установленные значения приняты в качестве основы для расчета значений коэффициента дегазации пласта Поленов-ского (Кдег = 0,45) и обоснования способов и схем его дегазации.

Результаты анализа аэрогазодинамики выемочного участка показали, что его производительность даже в 4000 т/сут требует освоения технологий высокой эффективности дегазации разрабатываемого пласта. И только на этом опыте следует планировать ее повышение до 8000 т/сут.

Наибольшую трудность предварительной или опережающей дегазации пласта представляют неразгруженные от горного давления зоны, когда приходиться идти не только на заблаговременный каптаж и изолированный отвод метана, но и на искусственное повышение газопроницаемости пласта с целью интенсификации процесса газоистощения. В этих зонах необходима высокая степень дегазации пласта Кдег ^ 0,45. Таких значений в технологически приемлемые сроки можно достичь только применением основных способов повышения газопроницаемости неразгруженного пласта, базирующихся на нагнетании в него жидкости в различных режимах и технологических модификациях: гидрорасчленение, гидроразрыв, гидро_______________________________________

отжим, гидрорыхление. Исключив из дальнейшего рассмотрения гидрорасчленение через пробуренные с поверхности скважины, как весьма дорогостоящий и наименее управляемый способ, рассмотрим (рис. 3) более технологичный и эффективный способ ориентированного поинтервального гидроразрыва через дегазационные скважины [6].

Физическая сущность гидроразрыва заключается в поддержании режима нагнетания жидкости на уровне, обеспечивающем повышение темпа нагнетания над поглощающей способностью угля в окрестности щелей и трещин, формирующихся и раскрывающихся под действием избыточного давления нагнетаемой жидкости. Чем ниже водопоглащаю-щая способность, тем экономичнее и эффективнее процесс формирования фильтрующих каналов. Расположение щели нормально напластованию переводит режим фильтрации метана от радиального к более эффективному одномерному.

Способ прошел промышленные испытания и допущен к применению на шахтах Кузбасса. Схема его применения, представленная на рисунке 3, учитывает и применение станков направленного бурения, когда обеспечивается возможность дегазации пласта и по трассе проведения подготовительных выработок с управлением газопылевыделением в их призабойном объеме.

Согласно экономическим оценкам, выполненным в работе [7], применение этой технологии предварительной дегазации неразгруженного от горного давления пласта в 2 раза дешевле, чем, например, типовая технология пластовой дегазации. Этот позволяет считать данное техническое решение, соответствующим требованиям условий утилизации метана с компенсацией части затрат на газовую безопасность путем продажи попутного газа.

Учитывая газодинамическую реакцию пласта на разрушение угля, рекомендуется бурить скважины диаметром до 80 мм из вентиляционного штрека на всю ширину выемочного столба. Ближайшая к движущемуся очистному забою скважина отключается от дегазационного трубопровода и

подключается к противопожарному ставу для увлажнения пласта.

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

1. Временные рекомендации по снижению газообильности выемочных участков шахт Кузбасса поверхностными газоотсасывающими вентиляторами, установленными на устьях вентиляционных скважин. Кемерово, ВостНИИ, 1986.-30 с.

2. Полевщиков Г.Я., Козырева Е.Н. Обоснование параметров комплексной системы газоуправления на выемочном участке/11 Международная конференция «Сокращение эмиссии метана» - Новосибирск, 2000. - С. 411-414.

3. Обоснование объемов и технологий каптирования метана на шахтах Кузбасса / Е.Н. Козырева // Сокращение эмиссии метана: Доклады II Международной конф., 18-23 июн., 2000. г. Новосибирск, 2000. С. 495-500.

4. Шинкевич М.В. Оценка динамики метановыделения из разрабатываемого пласта с использованием баз геологоразведочных данных / М.В. Шинкевич // Информационные недра Кузбасса: Труды III региональной научно-практической конференции. - Кемерово: ИНТ, 2004. - С. 224-225.

5. Алексеев А.Д. Распад твердых углегазовых растворов / Алексеев

А.Д., Айруни А.Т., Зверев И.В. и др. // Физико-технические горные проблемы. 1994, - №3, - С. 65-75.

6. Обоснование объемов и технологий каптирования метана на шахтах Кузбасса / Козырева Е.Н. // II Международная конференция "Сокращение эмиссии метана" - Новосибирск, 2000. - С.495-500.

7. Полевщиков Г.Я., Козырева Е.Н., Рычковский В. М., Пестриков В.Г. Природно-технологическая база комплексного извлечения ресурсов углеметановых месторождений Кузбасса. - Кемерово: Институт угля и углехи-мии СО РАН, 2004. - 132. с.

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

Шинкевич Максим Валериевич - ведущий программист лаборатории газодинамики угольных месторождений ИУУ СО РАН,

Назаров Николай Юрьевич - ЗАО «Шахта «Распадская».

------------------------------ © В.А. Малашкина, И.А. Пчелкина,

2006

УДК 622.81.47

В.А. Малашкина, И.А. Пчелкина

ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОДЗЕМНОЙ ДЕГАЗАЦИОННОЙ ТРУБОПРОВОДНОЙ СЕТИ