CC BY
40
УДК 622.411.33 С.В. Сластунов
ПРОБЛЕМА УПРАВЛЕНИЯ СВОЙСТВАМИ И СОСТОЯНИЕМ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ С ЦЕЛЬЮ БОРЬБЫ С ОСНОВНЫМИ ОПАСНОСТЯМИ В ШАХТАХ (К 90-ЛЕТИЮ СО ДНЯ РОЖДЕНИЯ АКАДЕМИКА В.В. РЖЕВСКОГО)
Обозначена основная проблема шахтного метана - метанобезопасность подземной угледобычи при разработке высокогазоносных угольных пластов и показаны реальные перспективы решения этой проблемы в основных угольных бассейнах РФ. Представлены основные технические решения по заблаговременной дегазационной подготовки газоносных угольных пластов.
Ключевые слова: метанобезопасность угольных шахт, дегазационная подготовка.
Семинар № 5
У^аботы по обеспечению безопасности горных работ при под--м земной разработке высокогазоносных угольных пластов ведутся в Московском государственном горном университете (Московском горном институте) уже более 50 лет и начало их в основном связано с именем академика А.А. Скочинского. Последние два десятилетия эти работы активно ведутся в рамках научной школы «Подземные горные системы» (научный руководитель школы — чл.-корр. РАН Пучков Лев Александрович).
Весьма значимый этап становления и развития научных исследований в этом направлении связан с академиком Владимиром Васильевичем Ржевским.
Цикл исследований, выполненный в 1962 -1971 г.г. под руководством В.В. Ржевского, А.С. Бурчакова, Э.М. Москаленко, И.А. Молчанова и Н.В. Ножкина «Исследование процессов и разработка основ гидродинамического, микробиологического и физикохимического воздействия на пласт с целью борьбы с метаном и пылью в шахтах» был выдвинут на соискание Ленинской премии по науке 1972 г.
Научная работа в числе других была представлена следующими разделами [1]:
1. Исследование характерных свойств углей и угольных пластов (чл.-корр. АН СССР Ржевский В.В.).
2. Исследование гидродинамического, микробиологического и физико-химического воздействия на пласт (чл. корр. АН СССР Ржевский В.В., проф., докт техн.наук Бурчаков А.С., докт. техн. наук Москаленко Э.М.. доц., канд.техн. наук Ножкин Н.В., ст. на-учн. сотрудник, канд. техн.наук Молчанов И.А.).
В 1981 г. цикл научных исследований (1962- 1980 гг.), выполненный под руководством чл.-корр. АН СССР В.В. Ржевского, докт.техн.наук А.С. Бурчакова, докт.техн.наук Э.М. Москаленко, докт.техн.наук Н.В. Ножкина «Управление свойствами и состоянием угольных пластов с целью борьбы с основными опасностями в шахтах» был вновь выдвинут на соискание Ленинской премии 1982 г. [2]. На последнем этапе авторский коллектив возглавил тогдашний министр угольной промышленности СССР Борис Федорович Братченко.
Сам факт выдвижения работы на наиболее престижную в СССР премию и достойное ее прохождение (всего нескольких голосов не хватило для ее присуждения) сделало ее одной из наиболее значимых научных работ за всю истории МГА-МГИ-МГГУ.
Для проведения шахтных исследований и внедрения данного направления в Донецком и Карагандинском бассейнах были созданы специализированные лаборатории при МакНИИ и КНИУИ, а также производственные структуры, обеспечивавшие выполнение работ на шахтах.
Проблема управления свойствами и состоянием угольных пластов с целью борьбы с основными опасностями в шахтах в технологическом плане во многом базируется на эффективном заблаговременном извлечение угольного метана через скважины, пробуренные с поверхности.
В выполнении различных этапов научных работ в указанный период приняли участие научные сотрудники лабораторий и научных секторов Московского горного института [2]:
доктора наук: А.П. Дмитриев, Л.В. Ершов, А.И. Ксенофонтова, Г.Я. Новик, Л.А. Пучков, В.А. Харченко, В.С. Ямщиков и некоторые др.;
кандидаты наук и научные сотрудники: В.М. Аниканов, В.И. Анисимов, Ю.Г. Анпилогов, Р.К. Атыгаев, Ш.У. Ахметбеков, Н.В. Балакшей, А.Ф. Брынько, А.И. Буханцов, Ю.Ф. Васючков, Н.Л.
Гладкий, В.А. Громов, Ф.И. Грохотов, Ю.А. Жежелевский, В.С. Иванюк, В.М. Карпов, В.В. Качак, А.Б. Ковальчук, В.В. Конарев, В.Н. Королева, Ю.В. Костин, А.В. Крысин, Л.С. Кузяев, К.Д. Ли, В.И. Липа, А.С. Лукаш, И.А. Молчанов, В.М. Муравьева, И.Л. Пас-тоев, А.Е. Пережилов, Б.М. Перминов, Е.А. Петровская, Б.Р. Раим-жанов, Б.Е. Рудаков, Л.В. Савенко, В.И. Самойленко, В.С. Сапронов, Г.И. Селиванов, С.В. Сластунов, Н.Г. Смольянинов, А.Б. Соколов, Б.Д. Сусленков, Б.Д. Терентьев, Н.В. Томашев, Е.И. Третьяков, М.С. Усенбеков, С.Я. Филоненко, М.Х. Хамиев, И.М. Царев,
Н.Х. Шарипов, В.Ф. Шевченко, М.В. Шмидт, АН. Яковлев, С.А. Ярунин и некоторые другие.
В 1984 г. под руководством Ржевского В.В. была выдвинута и в 1985 г. получила премию Совета Министров СССР работа «Создание и внедрение региональных методов управления массивами угольных месторождений, обеспечивающих эффективное и безопасное производство горных работ в шахтах и попутное извлечение газа» (авторы - Ржевский В.В., Бурчаков А.С., Ножкин Н.В., Васючков Ю.Ф., Ярунин С.А. и др.[3]).
В цикле исследований 1962-1980 г.г. были представлены следующие специальные методы и средства управления свойствами и состоянием высокогазоносной угольной толщи через скважины, пробуренные с дневной поверхности [2]:
1. Предварительное увлажнение, заблаговременное гидрорасчленение, пневморасчленение, пневмооттеснение, акустические воздействия, внутрипластовое взрывание.
2. Микробиологическое воздействие.
3. Тепловое воздействие — водным, парообразным или газообразным теплоносителем.
4. Физико-химическое воздействие — водными растворами кислот, поверхностно-активными веществами, ингибиторами, мономерами и полимерами, способными изменять состояние углей.
5. Многостадийное последовательное воздействие групповым сочетанием упомянутых выше воздействий на пласт.
На следующем этапе развития данного направления в плане обеспечения метанобезопасности подземной угледобычи и повышения эффективности дегазации были разработаны и запатентованы новые технологии извлечения метана из неразгруженных угольных пластов [4, 5].
В качестве наиболее перспективных схем можно отметить следующие.
Пневморасчленение пластов (патент РФ № 1548463, МГГУ, Ножкин Н.В., Сластунов С.В., Карпов В.М.) - наиболее перспективная схема при наличии мощных компрессоров, обеспечивающих темп нагнетания q > 60^80 м3/мин и способных создавать давление до 20 МПа.
В реальных условиях отсутствие компрессоров необходимой мощности (темп нагнетания, давление), а также соображения энергетической целесообразности предопределяется применение комбинированных воздействий, а именно - различных схем пневмогидровоздействия на пласт.
Пневмотепловое воздействие (а.с. № 1511435, МГГУ, Ножкин Н.В., Сластунов С.В., Карпов В.М., Буханцов А.И.) заключается в нагнетании в подвергнутый ранее гидрорасчленению угольный пласт нагретого воздуха и применяется для углубления дегазации угольного пласта за счёт повышения фазовой проницаемости для интенсификации извлечения метана, снижения сорбционной емкости угля вследствие повышения температуры в системе «уголь-метан» и образования дополнительной подсистем трещин, объединения последних в единую систему, ориентированную к нагнетательной скважине вследствие проникновения воздуха в непроницаемые для рабочей жидкости каналы.
Пневмооттеснение рабочей жидкости ГРП (патент РФ № 1610048 МГГУ, Ножкин Н.В., Сластунов С.В., Ворошилов О.О.) может применяться и как вспомогательное воздействие, т.е. не непосредственно после ГРП, а на иной стадии комбинированного воздействия, например, после освоения скважины станком-качалкой, после дополнительных интенсифицирующих воздействий и т.д.
Гидрорасчленение с использованием газообразного азота_(па-тент РФ № 1375839, МГГУ, Ножкин Н.В., Сластунов С.В.) применяют с целью интенсификации извлечения рабочей жидкости гидрорасчленения из пласта. Для этого газообразный азот подают в пласт одновременно с рабочей жидкостью или воздействие
осуществляют циклически, чередуя порции газообразного азота и воды.
Знакопеременное гидровоздействие в режиме кавитации с использованием геоэнергии углегазоносного массива (патент РФ на изобретение № 2159333 от 20.11.2000. «Способ дегазации угольного пласта» (Пучков Л.А., Сластунов С.В., Фейт Г.Н.). Сущность технологии заключается в том, что после кавернообразования в призабойной зоне скважины нагнетание воды ведётся в специальном режиме, инициирующим реализацию геоэнергии массива и образование взаимосвязанных каверн и высокопроницаемых трещин. Режим кавитации может реализовываться также после гидрорасчленения пласта.
Нагнетание в угленосную толщу углекислого газа (патент РФ на изобретение № 2121062, Воробьев А.Е., Сластунов С.В., Шилов А.А.). Реализация способа направлена на обеспечение возможности более полного извлечения метана из угольного пласта. Это достигается тем, что после завершения процесса самоистечения метана из угольного пласта после пневмогидравлической обработки в последний закачивают вещество с большей, чем у метана сорбционной способностью, в частности углекислый газ.
Гидрорасчленение с использованием сжиженного азота (патент РФ № 1375839, Ножкин Н.В, Сластунов С.В.) применяется для повышения равномерности обработки вокруг нагнетательной скважины за счет создания условий для раскрытия в процессе повторного ГРП дополнительных систем трещинообразования. Первоначально раскрытые трещины временно блокируются ледяными перемычками. Данная технологическая схема позволяет поэтапно раскрывать все естественные системы трещин в угольном пласте. Возможно использование этой схемы для временной консервации сбоек между скважинами, сбоек с геологическими нарушениями или с горными выработками.
Способ гидравлической обработки угольного пласта с использованием эффекта обратного гидроудара (патент № 2188322, авторы Пучков Л.А., Сластунов С.В., Каркашадзе Г.Г., Коликов К.С.). Технология циклического гидровоздействия предусматривает реализацию эффекта обратного гидроудара.
Способ гидравлической обработки угольного пласта с использованием щелевого вскрытия пласта (патент № 2232899, авторы Пучков Л.А., Сластунов С.В., Каркашадзе Г.Г., Коликов К.С.). Технология базируется на повышении равномерности обработки пла-
ста и интенсификации притока газа в разгруженную призабойную зону.
Способ извлечения метана из угольного пласта (патент № 2326147, авторы Пучков Л.А., Сластунов С.В., Каркашадзе Г.Г., Коликов К.С.), предусматривающий в процессе извлечения метана также секвестрование углекислого газа в нерабочих угольных пластах и ряд других.
Ряд технологических решений базируется на открытии «Свойства органического вещества угля образовывать с газами метаста-бильные однофазные системы по типу твёрдых растворов» (№ А-016 от 30.06.1994 г.) (соавтор открытия - профессор МГГУ Ю.Ф. Васючков).
Всего технология извлечения угольного метана защищена более, чем 80 патентами и авторскими свидетельствами МГГУ. Основные технологические решения вошли в «Руководство по дегазации угольных шахт» [6], «Положение по дегазации угольных шахт» [7], а также в «Отраслевое руководство по заблаговременной дегазационной подготовке высокогазоносных угольных пластов к безопасной и эффективной отработке», разработанное по заказу Федерального агентства по энергетике и согласованное с Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору (М., 2006).
Принципиальную новизну научных разработок составляет комплексное решение проблемы извлечения, подготовки и использования метана, решение экологических проблем и обеспечение безопасных условий работы в шахте на основе применения новых технологических решений и типов оборудования.
Перечисленные активные воздействия должны обеспечить эффективное извлечение метана при дегазации первого рабочего пласта в свите. На втором этапе, после проведения очистных работ по этому пласту, предусматривается интенсивное с существенно большим дебитом извлечение метана из частично разгруженной угленосной толщи через те же самые поверхностные дегазационные скважины. Кроме этого, предусматривается извлечение значительных объемов метана из закрываемых шахт.
Такая комплексная технология должна обеспечить промышленную добычу не только угля, но и метана из высокоуглегазоносной толщи, а также улучшить экологическую ситуацию в регионе за счёт существенного уменьшения выброса метана в атмосферу.
Описание конкретных показателей, параметров и характеристик объекта разработки, технико-экономические показатели
- добыча метана с одной тонны запасов угля - 5-10 м3;
- коэффициент извлечения метана - 0,75-0,80;
- дебит метана на первой стадии из одной скважины - 3-10
тыс.м3/сут.;
- длительность эксплуатации одной скважины - до 12-15 лет;
- глубина залегания дегазируемых с поверхности угольных пластов - до 1200 м;
- диаметр скважины — 100-150 мм;
- радиус действия скважины при активных воздействиях -
150-250 м;
- давление нагнетания рабочих агентов - 10-25 МПа;
- темп нагнетания - 80-150 л/с;
- концентрация извлекаемого и подготавливаемого к дельней-шему использованию метана - 95-100%;
- потери метана при добыче и подготовке к использованию -20% в недрах, 2% - при подготовке;
- сброс сточных вод - вода используется в замкнутом цикле;
- полная утилизация извлекаемого метана в качестве энергетического сырья, газообразного и моторного топлива;
- обеспечение рентабельности угольных предприятий и конкурентоспособность их продукции - с учётом технологий использования попутных ресурсов;
- обеспечение предотвращения опасности взрывов мета
- на в угольных шахтах;
- обеспечение безопасных условий работы в угольных шахтах.
В развитие методов и средств управления свойствами и состоянием высокоуглегазоносной толщи через скважины, пробуренные с дневной поверхности в последующие годы большой вклад внесли следующие ученые МГИ-МГГУ при участии ряда специалистов из других организаций: Ю.Г.Анпилогов, А.В. Агарков, Ш.У. Ахмет-беков, С.К. Баймухаметов, А.И. Буханцов, Ю.Ф. Васючков, О.О. Ворошилов, С.М. Горбунов, Н.Н. Грознов, Ф.И. Грохотов, Г.Г. Каркашадзе, В.М. Карпов, К.С. Коликов, В.Н. Королева, В.И. Липа,
А.С. Лукаш, Ф.А. Муллагалиев, А.Е. Пережилов, Г.М. Презент, Л.В. Савенко, С.В. Сластунов, В.И. Тонких, Г.Н. Фейт,. Н.Х. Ша-
рипов, И.А. Швец, А.И. Швец, А.А. Шипулин, М.В. Шмидт, А.А. Шилов, С.А. Ярунин и некоторые другие.
В настоящее время МГГУ - единственная в РФ научная организация, имеющая большой научно-практический опыт по заблаговременному извлечению метана из угольных пластов через скважины с поверхности. МГГУ имеет в своем составе коллектив специалистов, обладающих высокой квалификацией и большим опытом в области разработки и внедрения технологий извлечения и использования метана угольных пластов. Сотрудники МГГУ внедряют работы по данному направлению более 40 лет на шахтах Донецкого, Карагандинского и Печорского бассейнов (более 20 шахтных полей и 300 скважин). МГГУ обладает высоким кадровым потенциалом (более 20 докторов наук, 40 кандидатов наук работают в МГГУ и сотрудничающих с ним организациях в настоящее время по рассматриваемому научному направлению). Ученые МГГУ являются авторами приоритетных публикаций (более 40 монографий) и основной нормативной документации. Последние работы МГГУ получили широкое международное признание, награждены золотыми медалями и дипломами на ряде выставок и салонов инноваций и изобретений (Брюссель-2001, Париж-2002, Женева-2002), золотыми медалями на научно-промышленной выставке «Экспо-Уголь, (2005, 2006) и на ряде других мероприятий и выставок. Комплекс работ по извлечению метана был трижды награжден премией имени академика А.А. Скочинского (в различные годы Бурчаков А.С., Ножкин Н.В., Васючков Ю.Ф., Ярунин С.А., Пучков Л.А., Сластунов С.В., Коликов К.С., Презент Г.М., Байму-хаметов С.К., Сарафанов М.П., Тонких В.И., Анпилогов Ю.Г., Королева В.Н.).
Извлечение метана на шахтных полях - комплексное решение всех основных проблем шахтного метана:
1. Обеспечение метанобезопасности при подземной разработке высокогазоносных угольных пластов.
2. Обеспечение высокоэффективной работы по добыче угля за счет снятия «газового барьера».
3. Решения экологических проблем на базе минимизации газовых выбросов в атмосферу парникового газа метана.
4. Извлечение шахтного метана для его использования как дополнительного энергетического источника или в другом полезном качестве.
Коллективом специалистов Московского государственного горного университета с привлечением ведущих специалистов-практиков ряда бассейнов СНГ (Воркута, Кузбасс, Караганда) в 2006 г. была разработана и согласована Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору «Концепция метанобезопасности угольных шахт России на 2006-2010 гг.» [8]. На основе выполненного анализа состояния проблемы метано-безопасности угольных шахт была осуществлена попытка системного анализа проблемы, разработаны основные требования к системам обеспечения метанобезопасности, включающие требования к технологии, системам вентиляции, дегазации и утилизации метана, а также к системе мониторинга безопасности. Определен порядок и этапы реализации концепции. Базовым элементом концепции является заблаговременное извлечение метана.
Некоторая повышенная активность в вопросах обеспечения ме-танобезопасности проявилась после ряда крупных аварий на шахтах Кузбасса в 2007 г. Однако деятельность в этой области не имеет системного характера и, к сожалению, пока не ведет к серьезным результатам в угольной отрасли России.
Обеспечение метанобезопасности при подземной разработке высокогазоносных угольных пластов - актуальнейшая задача сегодняшнего дня [9, 10]. И решать ее надо на всех уровнях - от руководителей угольной отрасли, руководителей угледобывающих регионов, до собственников угольных шахт, с привлечением ведущих специалистов и ученых. Необходимо в полном объеме востребовать огромный опыт ученых МГИ-МГГУ, включая и весь комплекс научных и промышленных исследований, реализованный в свое время коллективом, возглавляемым академиком
В.В.Ржевским, 90-летие со дня рождения которого отмечается всей горной научной общественностью в этом году.
--------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ржевский В.В., Бурчаков А.С., Москаленко Э.М., Молчанов И.А., Ножкин Н.В. «Исследование процессов и разработка основ гидродинамического, микробиологического и физико-химического воздействия на пласт с целью борьбы с метаном и пылью в шахтах» (цикл исследований 1962-1971 г.г.) (Аннотация работы, выдвинутой на соискание Ленинской премии по науке 1972 г.)., М., МГИ, 1971.
2. Ржевский В.В., Бурчаков А.С., Москаленко Э.М., Молчанов И.А., Ножкин Н.В. Управление свойствами и состоянием угольных пластов с целью борьбы с
основными опасностями в шахтах. Цикл научных исследований (1962-1980 гг.), М., МГИ, 1981.
3. Создание и внедрение региональных методов управления массивами угольных месторождений, обеспечивающих эффективное и безопасное производство горных работ в шахтах и попутное извлечение газа (авторы Ржевский В.В., Бурчаков А.С., Ножкин Н.В., Васючков Ю.Ф., Ярунин С.А., Гуревич Ю.С., Кра-сюк Н.Н., Пережилов А.Е., Дрижд Н.А., Токмагамбетов Ш.Т., Швец И.А., Гунько Г.З., Худин Ю.Л., Рудаков Б.Е., Конарев В.В., Шарипов Н.Х. и др). Москва - 1984.
4. Сластунов С.В. Заблаговременная дегазация и добыча метана из угольных месторождений. М., изд-во МГГУ, 1996 - 441с.
5. Пучков Л.А., Сластунов С.В., Коликов К.С. Извлечение метана из угольных пластов. М., изд-во МГГУ, 2002, 383 с. (монография).
6. Руководство по дегазации угольных шахт, М, Недра, 1990.
7. Положение по дегазации угольных шахт. М, ИПКОН РАН, 2006.
8. Концепция обеспечения метанобезопасности угольных шахт России на 2006-2010 гг. / Пучков Л.А., Сластунов С.В., Каледина Н.О. и др. - М., изд-во МГГУ, 2006. - 18 с.
9. Баймухаметов С.К., Полчин А.И., Коликов К.С. Совершенствование управлением газовыделением шахт в Карагандинском угольном бассейне.М., ГИАБ, отдельный выпуск № 6 «Безопасность», 2008.
10. Пучков Л.А., Сластунов С.В., Логинов А.К., Ютяев Е.П., Мазаник Е.В. Предпосылки промышленной апробации технологии заблаговременной дегазационной подготовки высокогазоносных угольных пластов в Кузбассе. М., ГИАБ, отдельный выпуск № 6 «Безопасность», 2008. ЕШ
S. V. Slastunov
PROBLEM OF COAL BED STATE AND PROPERTIES CONTROL TO PREVENT MAIN HAZARD WHILE MINING.
The key problem while mining coal beds with high gas content capacity is methane safety. The article shows real prospective of how to solve the problem at the main coal basins of the Russian Federation. The main technical solutions for gas bearing coal seams advanced degassing preparation are presented in the issue.
Key words: methane safe of undergraund coal mining, degassing preparation.
— Коротко об авторе ------------------------------------------------
Сластунов С.В. - профессор, доктор технических наук, зав. кафедрой «Инженерная защита окружающей среды»,
Московский государственный горный университет,
Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
