CC BY
31
НОЙ частотной зависимости, при- Рекомендуемые параметры воздействия через скважину
чем на преимущественных часто- ° дневнои поверхности
тах (30-40 Гц).
На участке газоотдача до начала воздействия составляет 0,0050,01 см3/г. В процессе увеличения частоты вибрации величина газо-отдачи увеличиваться и достигает величины 0,085-0,099 см3/г, что позволяет характеризовать интенсивность съема газа при воздействия. Это явление проявляется в поле упругих волн в указанном диапазоне частот, благодаря чему даже при малом количестве угля вибрационное воздействие вызывает определенные изменения в метаноотдаче выражающиеся в газодинамическом эффекте.
Задача глубокой дегазации низкопроницаемого газонасыщенного угольного пласта наряду с применением вибровоздействия может также достигаться путем солянокислотной обработки, с целью усиления эффекта замещения метана в сорбционном объеме. Так при выполнении стендового эксперимента в процессе подачи 1-2 % раствора соляной кислоты в колбу с углем в процессе вибровоздействия на него степень пропитки увеличивается и наблюдается увеличение метаноотдачи на 35-40 %.
Это подтверждает возможность выполнения поставленных задач и в тоже время свидетельствует о необходимости в ходе выполнения работ разработки опытной проверки параметров воздействия, дальнейшей проработки технологии вибровоздействия на базе имеющихся научных разработок.
------------------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Васючков Ю.Ф., Павленко М.В. Метод интенси- тенсификации дегазации угольных пластов с примене-
фикации газоотдачи с использованием волновых полей. нием гидровибрационного воздействия. Каталог научно-
ГИАБ, МГГУ, 1998, № 4. технических разработок. - М., МГГУ, 1999. с. 24.
2. Васючков Ю.Ф., Павленко М.В. Способ ин-
При выполнении работ по вибрационному воздействию в диапазоне частот 25-30 Гц и амплитудой колебания 3-5 см через скважину с дневной поверхности увеличение приемистости пласта в 1,5-2 раза по сравнению с отсутствием воздействия, объясняется тем что в вибрационном поле жидкость, меняя свои физикохимические характеристики, изменяет величину своего мениска. В процессе циклического вибровоздействия на пласт, предварительно подверженном гидровоздействию водой, с выдержкой пласта без наложения вибрации после каждого цикла рекомендуются следующие параметры (таблица).
В связи с отсутствием необходимого эффекта при малом времени воздействия оно должно составлять не менее 40-50 часов. Время одной выдержки пласта между двумя соседними циклами вибровоздействия должно быть не менее 2-5 суток.
Применение указанного метода позволит увеличить дебит метана из одиночной скважины гидровоздействия (после осушения пласта) на 30-40 %.
№/№ циклов Частота, Гц Амплитуда, мм Время, час
1 10-20 30 -40 10-15
2 30-40 20-30 20-25
3 40-50 10-15 30-40
__ Коротко об авторах
Васючков Юрий Федорович — профессор, доктор технических наук, Павленко Михаил Васильевич - доцент, кандидат технических наук, Московский государственный горный университет.
© Н.Г. Матвиенко, 2004
УДК 622.411.33:533.17 Н.Г. Матвиенко
ПРОБЛЕМЫ УГОЛЬНОГО МЕТАНА ПРИ ОСВОЕНИИ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Семинар № 5
Газоносность рудных месторождений обусловлена, как правило, газами, чуждыми самому полезному ископаемому и связанными с залеганием вблизи рудоносных формаций газопроизводящих и газовмещающих толщ [1].
В геологическом строении абсолютного большинства рудных месторождений с выделениями метана и его гомологов, иногда с примесями водорода, принимают непременное участие осадочные или метаморфогенные породы, содержащие органические вещества от угольных и нефтеносных пластов до микровключений. Проблема угольного метана при освоении рудных месторождений имеет место при совместном залегании рудоносных и угленосных формаций (табл.). Существенные сложности в обеспечении газовзрывобезопас-ности горных работ испытываются при разработке рудных тел, расположенных вблизи от высокометаноносных угольных пластов. К таким месторождениям относятся медноникелевые Норильского района и золотоурановые Южной Африки. На Норильском и Талнахском месторождениях рудоносные интрузии залегают над- в- и ниже угленосных отложений, а в Южной Африки пласты золотоурановых конгломератов располагаются ниже высокогазоносных угольных пластов на значительном (300-500 м и более) расстоянии от них. На всех этих месторождениях основные вскрывающие выработки (вертикальные стволы) рудников пересекают частично или полностью угленосные отложения. Освоение этих месторождений сопровождается газопроявлениями значительной интенсивности, приводившими иногда к взрывам с человеческими жертвами (см. таблицу).
На месторождениях рассматриваемого типа главным первичным источником природных газов являются угольные пласты, метанонос-ность которых достигает 20-25 м3/т горючей массы. Характерны более частая встречаемость и более высокое содержание водорода в каче-
стве примеси к метану и его гомологам по сравнению с традиционными угольными месторождениями. Это явление объясняется высокотемпературным воздействием на угольное вещество рудоносных расплавов и растворов. Трещинно-поровое пространство осадочных и изверженных пород служит вторичным коллектором, содержащим мигрировавшие газы угольного генезиса. Газы трещинного пространства имеют тот же состав, что и газы угольных пластов, но нередко (в том числе в норильских и южноафриканских рудниках) с повышенным содержанием водорода.
Распределение природных газов по площади и разрезу рудоугольных месторождений отличается крайней неравномерностью. Газовая зональность определяется пространственным расположением газоаккумулирующих и экранирующих горизонтов, дегазирующих элементов и рудных тел. На каждом месторождении наблюдается локальность и приуроченность газов к благоприятным литологическим и структурным образованиям. Наибольшее их содержание отмечается в угольных пластах, характеризующихся высокой сорбционной емкостью, газонасыщенных водоносных горизонтах, различного рода стратиграфических и структурно-тектонических ловушках. Обычно в недрах повышенное содержание того или иного газа имеет место в той породе, где он образуется или где накапливается в результате миграции. На рудных месторождениях Норильского района метан концентрируется в угольных пластах и газовых ловушках тре-щинно-порового характера, приуроченных к некоторым участкам подмерзлотных горизонтов. В пределах южноафриканских рудников углеводородные газы локализуются в зонах тектонических разломов, связанных с угольными пластами.
Наиболее метанообильными из отечественных рудников являются рудники Норильского района, при освоении которых происходили
внезапные выбросы угля и газа, суфлярные и обычные газовыделения, а абсолютная метано-обильность достигала 8-15 тыс. м3/сут. (см. таблицу). Постоянные выделения метана происходят с 1948 г. в руднике “Заполярный”, в котором многие выработки проходятся по угольным пластам и вмещающим их осадочным и изверженным породам. За весь 55летний период наблюдений в выработки этого рудника выделилось не менее 45 млн м3 метана. Характерной и весьма важной особенностью является приуроченность интенсивных газопроявлений к выработкам первой очереди проходки (стволам, квершлагам и штрекам), проведенным как по угольным пластам, так и по осадочным и изверженным породам, включая рудоносные. Заблаговременная (за 3-5 лет до выемочных работ) проходка капитальных и подготовительных выработок оказывает, как правило, глубокое дегазирующее воздействие на трещиноватый массив, приводящее в условиях этого рудника к отсутствию газовыделе-ний из трещин при очистной выемке руды. Только на одном участке для достижения такого эффекта пришлось применить дегазационную систему из выработок и скважин, пройденных по угольному пласту. Этой системой было за 3 года извлечено более 2,4 млн м3 метана [2].
Метанообильность рудников Талнаха обусловлена, в основном, газовыделениями из угольных пластов, пересекаемых вертикаль-ными стволами. Именно в одном из них произошел внезапный выброс угля и газа при вскрытии угольного пласта в результате взрывания шпуров с поверхности. На рабочих горизонтах интенсивность выделения газов была низкая и метанообильность каждого рудника не превышала 850-1000 м3/сут, при этом происходило снижение интенсивности выделения метана по мере ввода рудника в эксплуатацию и роста добычи [3]. Это положение является благоприятным для обеспечения безопасности горных работ.
На других отечественных газоносных месторождениях рудоугольного типа выделения метана были не интенсивными в связи с низкой угленосностью пород и ведением работ в пределах зон естественной деметанизации.
Из зарубежных месторождений следует отметить золоторудные ЮАР, на которых природные условия газоносности (первичные источники - метаноугольные пласты, залегающие в породах кровли рудовмещающих формаций,
вторичные - трещиноватые зоны и горизонты, нередко обводненные) в общих чертах сходны с норильскими. Однако масштабы метановы-делений значительно выше, чем в норильских рудниках. Метанообильность некоторых рудников ЮАР достигает 60 тыс. м3/сут. При вскрытии газоносных трещин скважинами и выработками происходит выделение метана, иногда с примесями водорода, в форме суфляров. На руднике «Виргиния» (ЮАР) очистным забоем (лавой) была вскрыта на глубине 1 км трещиноватая зона, из которй происходило в течение нескольких лет выделение метана с первоначальным дебитом более 42 м3/мин [4].
В результате многолетних комплексных исследований природных газов на рудных месторождениях, газоносность которых обусловлена угленосными отложениями,
установлены следующие закономерности и особенности газовыделений при их освоении:
• газопроявления происходят не повсеместно, а лишь в пределах локальных участков и горизонтов и отмечаются, как правило, при работах первой очереди;
• приуроченность интенсивных и длительных поступлений метана к выработкам, пройденным по газоносным угольным пластам или по породам, связанным путями миграции с угольными пластами;
• имеют место все формы метановы-делений, характерные для газовых угольных шахт, а именно: газооотдача отбитого угля и угольных поверхностей, газовые струи, суфляры и внезапные выбросы газа, воды, угля и пород; в каждом конкретном случае характер выделения определяется типом коллектора и видом его насыщения;
• длительность выделения метана ощутимой интенсивности из обнаженных угольных пластов и трещин, связанных с ними, составляет не менее 3-4 лет, достигая в ряде случаев 10-15 лет и более;
• метанообильность рудников определяется угленосностью месторождения,
метаноносностью углей , наличием ловушек свободных газов и развитием горных работ в газоносных зонах, колеблется от 1 до 60 тыс. м3/сут. и не зависит от объема добываемой рудной массы;
• выработки первой очереди проход-ки оказывают глубокое дегазирующее воздейс-твие на окружающий газоносный массив, включая угольные пласты, рудные залежи и вмещающие породы.
Обеспечение газобезопасного освоения рудоугольных месторождений является своеобразной и достаточно сложной задачей в связи с локальностью во времени и пространстве и большим диапазоном по интенсивности газовыделений. В результате многолетних исследований и опыта в России принят принцип определения рациональных методов борьбы с газами в каждом конкретном руднике в зависимости от вида источника, состава, характе-ра, гео- и техногенной приуроченности и интенсивности газопроявлений, применяемой технологии горных работ и экономических затрат без присвоения какой либо категории по газу [5]. На основе знаний о геологических условиях газоносности и параметров прогнозных или фактических) газопроявлений разрабатывается комплекс мероприятий, совокупность которых называется “газовым режимом”. Газовый режим в зависимости от конкретных условий может быть распространен на отдельные рабочие зоны (участки, блоки, панели, пласты, горизонты) или на рудник в целом. Газовый режим каждого месторождения или рудника регламентируется мероприятиями, разработанными специализированными организациями (институтами) и утвержденными Госгортехнадзором России. Таким путем регламентируется газобезопас-ность работ во всех отечественных газовых рудниках. Основными мероприятиями являются, как и в угольных шахтах, вентиляция, контроль за составом атмосферы, применение машин и оборудования во взрывобезопасном исполнении, предохранительных взрывчатых веществ. Допускается в
1. Матвиенко Н.Г. Выделение природных газов при освоении рудных месторождений. -М.: Наука, 1988. -230с.
2. Лидин Г.Д., Айруни А.Т., Матвиенко Н.Г. Дегазация полиметаллического рудника. /Рудничная аэрогазодинамика и безопасность горных работ. -М.: Наука, 1964. -С.79-88.
3. Спесивцева Т.А. Изучение газопроявлений на глубоких рудниках Норильского района. Автореферат. дисс. канд. техн.наук. М; 1980. -19с.
определенных условиях и при выполнении дополнительных мероприятий применение оборудования в рудничном нормальном исполнении и непредохранительных ВВ. В особо сложных условиях и интенсивных газопроявлениях, наряду с другими мероприятиями, применялись дегазация угольных пластов (рудник “Заполярный”) и отвод газов из загазованных выработок. Так, на золотоурановом руднике “Виргиния” (ЮАР) на глубине около 1 км была изолирована перемычками группа выработок, в которые поступал по трещинам тектонической зоны метан из вышележащих угольных пластов. В течение нескольких лет из этого участка отводился метан в количестве до 10 тыс. тонн (примерно 20 млн м3) в год и использовался на поверхности в котельной уранового завода [4].
Применение специальных мероприятий газового режима в рудниках позволяет обеспечить дифференцированный подход к выбору рациональных методов борьбы с выделениями природных газов с использованием богатого опыта угольной промышленности, а также калийной, газовой и нефтяной отраслей. Для квалифицирован-ного и своевременного решения проблемы угольного метана на рудных месторожде-ниях следует проводить изучение газонос-ности и газопроявлений на всех этапах их разведки и освоения, результаты которого позволят установить эффективные и доста-точные мероприятия газового режима на стадии проектирования горных работ и вносить в них коррективы по мере уточне-ния газовой обстановки.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Eschenburg H.M.W. Sources and control of methane in gold mines // J.Mine Vent. Soc.S.Afr. 1980, vol. 33, №8 - P.125-135.
5. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом. - М.: Государственное унитарное предприятие “Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России”, 2003. - 200 с.
Коротко об авторах
Матвиенко Н.Г. - ИПКОН РАН
© С.В. Сластунов, Г.Г. Каркашадзе, К. С. Коликов, 2004
3l7
