CC BY
34
Оригинальная статья
УДК 622.411.33:622.817.47 © В.С. Портнов, С.Б. Иманбаева, Л.Ф. Муллагалиева, Г.М. Балниязова, Р.Т. Шаяхметов, 2020
Прогноз природной метаноносности при разработке угольных пластов
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2020-11-53-57
Созданию безопасных условий труда при ведении горных работ на шахтах Угольного департамента АО «АрселорМиттал Те-миртау» уделяется большое внимание, особенно в свете увеличения глубины разработки и повышения газоносности угольных пластов [1]. Несмотря на огромный опыт по дегазации, не всегда удается в значительной мере снизить природную ме-таноносность углей. На эффективность проведения комплекса работ по дегазации угольных пластов влияют различные геологические факторы, основным из которых является природная газононость угольного пласта наряду с газопроницаемостью, геологическими неоднородностями углей (текстура, структура, кливаж), условиями зелегания, геологическими нарушениями [2,3].
Ключевые слова: угольный пласт, природная метанонос-ность, дегазация, скорость газоотдачи, выбросоопасность, глубина залегания.
Для цитирования: Прогноз природной метаноносности при разработке угольных пластов / В.С. Портнов, С.Б. Иманбаева, Л.Ф. Муллагалиева и др. // Уголь. 2020. № 11. С. 53-57. 001: 10.18796/0041-5790-2020-11-53-57.
ВВЕДЕНИЕ
Карагандинский угольный бассейн до глубины 1800 м содержит 41,4 млрд т угля. Его газоносность в зоне газового вы-ветривения (60-250 м ниже дневной поверхности) колеблется от 0 до 3 м3/т, а ниже ее - до 15-20 м3/т при дальнейшем росте до 27-30 м3/т. Средная плотность ресурсов метана на кубический километр угля колеблется от 400 до 700 млн м3.
При разработке мощных пологих пластов метанообиль-ность выемочных участков при нагрузке 3,5-4 тыс. т в сутки достигает 120-150 м3/мин. Поэтому научно обоснованная нагрузка на очистной забой, прогноз ее колебаний по мере отработки выемочного столба, является актуальной задачей, решение которой обеспечит ритмичную работу добычного участка за счет устранения или снижения негативных реакций углепородного массива [4].
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
На шахте «Казахстанская» отработка западного блока пласта Д6 производилась добычными участками 312Д6-1з, 322Д6-1з. Ситуация осложнялась высокой метанообильно-стью очистных выработок при отработке верхнего слоя, обусловленной миграцией метана из надработанного уголь-
ПОРТНОВ В.С.
Доктор техн. наук,
профессор кафедры «Геология и разведка месторождений полезных ископаемых» НАО «КарТУ»,
иностранный член АГН (Россия),
100027, г. Караганда, Республика Казахстан,
е-mail: [email protected]
ИМАНБАЕВА С.Б.
PhD докторант специальности «Геология и разведка месторождений полезных ископаемых» НАО «КарТУ»,
100027, г. Караганда, Республика Казахстан, е-mail: [email protected]
МУЛЛАГАЛИЕВА Л.Ф.
PhD докторант специальности «Горное дело» НАО «КарТУ»,
100027, г. Караганда, Республика Казахстан, е-mail: [email protected]
БАЛНИЯЗОВА Г.М.
PhD докторант специальности «Горное дело» НАО «КарТУ»,
100027, г. Караганда, Республика Казахстан, е-mail: [email protected]
ШАЯХМЕТОВ Р.Т.
Начальник УСШМД УД АО «АрселорМиттал Темиртау», 101407, г. Темиртау, Республика Казахстан, е-mail: [email protected]
ного массива нижнего слоя. Основными источниками выделения метана являлись разрабатываемый пласт и выработанное пространство с долевым участием 0,15-0,20 и 0,80-0,85 соответственно. В зонах геологических нарушений доля газовыделения из разрабатываемого пласта возрастала, и соотношение устанавливалось как 0,25-0,30 к 0,70-0,75.
На основе опыта отработки пласта Д6 лавой 322 Д6-1з можно произвести оценку возможной нагрузки на очистной забой по мере отработки выемочного столба.
В части шахтного поля, ниже гор. 00 м, для подготовки его к безопасной и эффективной разработке осуществлена заблаговременная дегазация пласта Д6 в интервале глубин от 468 до 527 м через 15 скважин ГРП, пробуренных с поверхности.
В табл. 1 показан средний каптаж метана скважинами ГРП, отнесенный к запасам выемочных столбов добычных участков. Мощность угольных пачек и плотность угля добычных участков: 312Д6-1з - 4,94 м и 1,48 т/м3; 322Д6-1з -5,11 м и 1,48 т/м3 при средних значениях извлечения метана 2,64 и 2,75 м3/т соответственно.
Предварительная дегазация выемочных столбов осуществлялась нисходящими и восстающими скважинами, пробуренными с вентиляционных и конвейерных штреков. На участке 312Д6-1з пластовыми скважинами было извлечено 1,34 м3/т, на участке 322Д6-1з - 0,09 м3/т, что объясняется разными сроками предварительной дегазации.
На рис. 1 представлены графики изменения абсолютной метанообильности добычных участков 312Д6-1з и 322Д6-1з, из которых следует, что оба участка достигали средней метанообильности в 100 м3/мин через 150 м и 175 м подвигания очистного забоя.
1й> 1«> 1» 100 so 60 <я> го о
шде-13
Г V
// \ \
7
При этом добычной участок 312Д6-1з имел метанообиль-ность 100 м3/мин и выше на протяжении 100-200 м, а добычной участок 322Д6-1з в диапазоне 220 - 980 м. В этих же диапазонах подвигания очистных забоев средневзвешенная метанообильность участков достигала 127 м3/мин и 140 м3/мин соответственно. Повышение метанообильности на обусловленном слабой дегазационной подготовкой добычном участке 322Д6-1з на 11% по сравнению с участком 312Д6-1з снизило среднесуточную добычу на 26% и составило 2686 т/сут. против 3639 т/сут.
На начало работ показатели дегазационной подготовки добычного участка 312Д6-1з гораздо выше (58-86%), чем добычного участка 322Д6-1з (5-35%), что обусловлено недостаточным временем осуществления дегазационных работ. Средний съем метана с выемочных столбов при заблаговременной дегазационной подготовке практически одинаков и составляет 2,64 м3/т и 2,75 м3/т соответственно.
Незначительный срок дегазационной подготовки (90 сут.) на добычном участке 322Д6-1з предопределил меньший объем выделения метана из пласта Д6 в полевую выработку с обнаженных поверхностей пластовых выработок, из газодренажных скважин, который в сумме составил 2117 тыс. м3 против 4547 тыс. м3 при дегазационной подготовке добычного участка 312Д6-1з.
Средний суммарный каптаж метана из пласта Д6 при дегазационной подготовке лавы № 312Д6-1з в зонах комплексной дегазации (заблаговременная + предварительная) в 1,9 раза больше, чем в аналогичных зонах лавы № 322Д6-1з и составляет 7,20 м3/т против 3,75 м3/т. Вне зон ГРП это соотношение еще больше: 4,09 м3/т против 1,63 м3/т.
Учитывая, что дегазация пласта Д6 пластовыми, газодренажными скважинами, полевыми выработками приходится на краевые части выемочных столбов, можно констатировать, что основной вклад в снижение метаноносности угольного пласта обусловлен применением ГРП.
jod 4оа wo «о iw
Подвигзннеочистного забоя, м
«оо
иоо
Рис. 1. Изменение средней метанообильности добычных участков от подвигания забоя
Fig. 1. Changes in the average methane content of the mining blocks caused by face advance
МЕТАНООБИЛЬНОСТЬ
Для объективной оценки ожидаемой метанообильности пласта Д6 добычных участков западного крыла шахты «Казахстанская» необходимо знать природную метаноносность разрабатываемого пласта. Для решения этой задачи выемочные столбы были разбиты на зоны, которые условно считались зонами влия-
Таблица 1
Суммарный средний каптаж метана по участкам
Добычной участок Объем извлеченного метана, тыс. м3 Дегазируемые Средний съем метана в зонах, м3/т
ГРП Пластовыми скважинами Прочими способами* запасы, тыс. т
312Д6-1з 3 771,5 2 772 3 725 1 426 7,20
322Д 1з 5 689 1 813 1 886 2 070 3,75
* - Газ, выделившийся в полевую выработку из пласта Д6; с обнаженной поверхности пластовых выработок; каптированный газодренажными скважинами, пробуренными из полевых выработок.
Таблица 2
Предварительный и заблаговременный каптаж метана по зонам
Участок Зона Съем метана, ДХ, м3/т Участок Зона Съем метана, АХ, м3/т
ГРП-24,37,31 11,4 ГРП-26, 46, 51 4,5
ГРП-24 10,4 ГРП-26, 27, 31, 46 3,1
312Д6-1з ГРП-23 9,5 322Д6-1з ГРП-25, 34 3,1
Вне зоны ГРП 4,1 Зона сравнения 2,2
ГРП -28 4,7 ГРП -28, 30, 32 3,8
ГРП -29 8,0 ГРП -29 3,6
ния группы скважин ГРП, и зоны, где влияние ГРП не было или было весьма несущественно. В табл. 2 приведены данные по извлечению метана в этих зонах до пуска лав.
На рис. 2 представлен график изменения газоносности пласта Д6 на момент отработки, оцененный по пробам угля, отобранным из пластовых скважин на глубине 20-35 м от стенки конвейерного штрека 312Д6-1з. Разделка проб угля осуществлялась в газоаналитической лаборатории Управления «Спецшахтмонтаждега-зация» (УСШМД) по методике ДМТ (Германия).
Прогнозное значение метанонос-ности пласта Д6 в пределах добычного участка 312Д6-1 з составляет 28-30 м3/т, а на добычном участке 322Д6-1з - 30-33 м3/т (по классификатору - 16 м3/т). Расчеты по величине природной газоносности показали, что прогнозная метанообиль-ность участка 312Д6-1 з при ежесуточной добыче 5000 т/сут. составит 69,7 м3/ мин; участка 322Д6-1з при добыче 4000 т/ сут. - 112,9 м3/мин. В последнем случае расчет сделан по лаве - аналогу 312Д6-1з. В обоих случаях расчетная газоообильность участков меньше фактической, хотя превышения в добыче не наблюдалось.
30,0
25,0
20,0
15,0
10,0
5,0
0,0
( скв тв .Г ор РП-29 | ск (тв в.Г ор П-28 с (тв кв.Г ор рп-2 -3-1-
\ 1 1 1 1 / Щ \
1 ч. 1 ч 1 / /
VI У У 1 1
Г 1 1 Г 1 1
1 1 1
200 300 400 500 600 700 800 900 Протяженность выработки, м
1000 1100 1200
Рис. 2. Газоносность пласта Д6 на глубине 20-35 м от стенки конвейерного штрека 312Д6-1з
Fig. 2. Gas content in seam D at the depth of20-35 m from the belt heading wall 312D6-1z
id
35
i 30 £ 25
о
•
л г ЦМз ** О \
ч. V
* 1 IK _t IK : MK 1335Д6
С 16-la X Z22 IS 11 1 4 s
згаде-ij -1- - 4 : t
200 400 600 800 1000 1200 1400 Протяженность ВЫСМСЧНЫЯ стоп&ов (от у КЛОКОВ (.4
1fi00
1Ш
mine below level 00.
ПРИРОДНАЯ МЕТАНОНОСНОСТЬ
Расчет природной метаноносности пласта Д6 по длине выемочного столба лавы 312Д6-1 з (рис. 3) выполнен с учетом заблаговременного и предварительного извлечения метана скважинами ГРП и пластовыми скважинами.
Из рис. 3 следует, что характер распределения метаноносности пласта Д6 для добычных участков 312Д6-1з и 322Д6-1з практически одинаков, что дает основание сделать следующие выводы:
- ниже горизонта ±00 м кривая зависимости X = /Н) выполаживается, что свидетельствует о том, что ожидаемая метаноносность пласта Д6 на поле добычного участка 332Д 6-1з будет аналогичной 312Д 6-1з и 322Д6-1з;
Рис. 3. Природная метаноносность пласта Д6 на западном крыле шахты «Казахстанская» ниже гор. 00.
Fig. 3. Natural methane content in seam D6 at the western flank of Kazakhstanskaya
- характер изменения метаноносности пласта Д6 на западном крыле шахты имеет параболический вид с явно выраженным максимумом в диапазоне 1000-1200 м от уклонов. К монтажной камере 332Д6-1з величина метаноносности будет уменьшаться, приближаясь к метаноносности пласта Д6 на шахте им. Ленина (лава 401Д6-1в), в сторону востока (уклонов) - к метаноносности добычного участка 334Д6-1з.
Отвод метана из выработанного пространства добычных участков 312Д6-1 з и 322Д6-1з осуществлялся верти-
кальными скважинами, пробуренными с поверхности, изолированным отводом метана из-за перемычек за счет общешахтной депрессии и дегазации. Суммарная эффективность дегазации выработанного пространства находилась в пределах 0,76-0,88.
Известно, что при эффективном отводе метана из выработанного пространства, максимально возможная нагрузка на добычной участок зависит от газообильности при-забойного пространства, предельное значение которой должно быть не выше допустимой по газовому фактору нагрузки на очистной забой [1]. Газовыделение из разрабатываемого пласта зависит от его метаноносности и интенсивности отработки (суточной добычи).
Имея данные по извлечению метана скважинами ГРП (см. табл. 1), возможно выполнить прогноз среднесуточной добычи при отработке выемочного участка 332Д6-1з при условии обеспечения среднего извлечения метана средствами заблаговременной и предварительной дегазации в 3,0-3,5 м3/т, эффективного отвода метана из выработанного пространства и предельно допустимой его концентрации на исходящей струе очистного забоя С = 1,3%, а С = 0% (рис. 4).
исх о г
На рис. 5 приведен график среднесуточной добычи по «газовому фактору» на выемочном участке 332Д6-1з.
Из рис. 5 следует, что среднесуточная добыча, по газовому фактору будет неравномерной и находится в пределах 3000-5000 т/сут. Благоприятные условия складываются в начале и в конце отработки выемочного столба, когда можно достичь нагрузки в 4000-5000 т/сут. Суммарная длина этого участка - 500-550 м. На среднем участке протяженностью 500-505 м производительность лавы не будет превышать 2000-2500 т/сут. В переходной зоне между
двумя вышеуказанными - 3000-3500 т/сут. В среднем по выемочному столбу - 3400 т/сут. Для увеличения добычи по участку необходимо провести на интервале 900-1430 м дополнительное бурение пластовых скважин или осуществить поинтервальный гидроразрыв через готовые дегазационные скважины.
Разный уровень дегазационной подготовки отражается на газовой обстановке добычных участков при их отработке. Оба участка достигают метанообильности в 100 м3/ мин через 100 м и 200 м подвигания очистного забоя. При этом добычной участок 312Д6-1з - имеет метанообильность 100 м3/мин и выше на протяжении 100-490 м, а добычной участок 322Д6-1з в диапазоне 200-900 м. В этих же диапазонах подвигания очистных забоев средневзвешенная метанообильность участков - 127 м3/мин и 140 м3/мин соответственно. Повышение метанообильности добычного участка 322Д6-1з на 11% по сравнению с 312Д6-1з снизило среднесуточную добычу, которая упала на 26% и составила 2686 т/сут. против 3639 т/сут.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Установлены зависимости извлечения метана скважинами предварительной дегазации лавы от показателей дегазационной подготовки и их связь с выделением метана из пласта в полевую выработку при относительном равенстве извлечения метана с выемочных столбов при заблаговременной дегазационной подготовке 2,64 м3/т и 2,75 м3/т для лав 312Д6-1з и 322Д6-1з соответственно.
Установлены закономерность изменения природной метаноносности пласта Д6 на западном крыле шахты и характер распределения по простиранию пласта на гор. -20 - -60 м. Изменение метаноносности имеет па-
10
15
20 25
Метаноносность, м3/т
30
35
40
Рис. 4. Зависимость абсолютной метанообильности очистных забоев западного крыла шахты «Казахстанская» от суточной добычи и метаноносности пласта Д6 Fig. 4. Dependence of absolute methane content in the working faces at the western flank of "Kazakhstanskaya" mine on the daily production and methane content of the D seam
40
35
H 30
S
ь, 25
ст
со н 20
с
о
н о 15
н
а т 10
е
m 5
0
2000-2500 т/сут.
3000-3500 т/сут. ♦ * - - ——--
4000-5000 т/сут г N
« >
♦ ч
пр --- - ф ф ♦ \ мк
---' 332Д6
/
/
200 400 600 800 1000 1200 1400 Протяженность выемочного столба, м
1600
1800
Рис. 5. Прогнозная метаноносность пласта Д6 и среднесуточная добыча на выемочном участке 332Д6-1з Fig. 5. Estimated methane content in D6 seam and average daily production at
332D6-lz mining site
0
раболический вид с явно выраженным максимумом в диапазоне 1000-1200 м от уклонов (Х = 35-36 мг/т), к монтажной камере 332Д6-1з величина метаноносности будет уменьшаться, приближаясь к метаноносности пласта Д6 на шахте им. Ленина (лава 401Д6-1в Х = 20-25 м3/т), а в сторону востока (уклонов) - к метаноносности добычного участка 334Д6-1з (Х = 15-20 м3/т). Метаноносность пласта с глубиной меняется по ^-образной кривой, это дает возможность предположить, что верхняя выполаживающая-ся ветвь кривойX = f(H) начинается с гор. ±00 м.
При условии обеспечения среднего извлечения метана средствами заблаговременной и предварительной дегазации в 3,0-3,5 м3/т, эффективного отвода метана из выработанного пространства и предельно допустимой концентрации метана на исходящей очистного забоя Сл = 1,3%, а Со = 0% установлена зависимость среднесуточной добычи по газовому фактору участка 332Д6-1з, которая может колебаться в пределах 3000-5000 т/сут., при этом благоприятные условия складываются в начале и в конце отработки выемочного столба, когда можно достичь нагрузки в 4000-5000 т/сут. при длине этого участка 500-550 м; на среднем участке протяженностью 500-505 м производительность лавы не будет превышать
2000-2500 т/сут., в переходной зоне между двумя вышеуказанными - 3000-3500 т/сут., в среднем по выемочному столбу - 3400 т/сут.
Список литературы
1. Исследование методов интенсификации газоотдачи из неразгруженных угольных пластов Карагандинского бассейна / Н.А. Дрижд, В.С. Портнов, Д.Р. Ахматнуров и др. Караганда: Издательство КарГТУ, 2020. 153 с.
2. Технологический регламент по проектированию вентиляции угольных шахт. Караганда: АО «АрселорМиттал Темиртау», 2011. 281 с.
3. Управление геомеханическими процессами для повышения устойчивости углепородного массива / В.Ф. Демин, Н.А. Немова, Т.В. Демина и др. // Научный вестник НГУ. 2016. № 2. С. 5-10.
4. Demin V., Tomilov A., Sultanova B. Automation of the Design of the Anchorage System Taking into Account the Geomechanical State of the Massif and Mining Development Schemes / VIII International Scientific and Practical Conference «Information and Measuring Equipment and Technologies» (IME&T 2017). 2018. Vol. 155. DOI: 10.1051/ matecconf/201815501023.
GEOLOGY
Original Paper
UDC 622.411.33:622.817.47 © V.S. Portnov, S.B. Imanbaeva, L.F. Mullagalieva, G.M. Balniyazova, R.T. Shayakhmetov, 2020 ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2020, № 11, pp. 53-57 DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2020-11-53-57
Title
FORECAST OF NATURAL METHANE CONTENT DURING COAL SEAM MINING Authors
Portnov V.S.1, Imanbaeva S.B.1, Mullagalieva L.F.', Balniyazova G.M.1, Shayakhmetov R.T.2 ' Karaganda Technical University, Karaganda, 100027, Republic of Kazakhstan 2 "ArcelorMittal Temirtau" JSC, Temirtau, 101407, Republic of Kazakhstan
Authors' Information
Portnov V.S., Doctor of Engineering Sciences, Professor of Geology and exploration of mineral deposits department, e-mail: [email protected] Imanbaeva S.B., PhD doctoral student of specialty"Geology and exploration of mineral deposits", e-mail: [email protected]
Mullagalieva L.F., PhD doctoral student in Mining, e-mail: [email protected] Balniyazova G.M., PhD doctoral student in Mining, e-mail: [email protected]
Shayakhmetov R.T., Head of SpetsShkhtoMontazhDegazatsiya Office of the Coal Department, e-mail: [email protected]
Abstract
A great deal of attention is paid to creation of safe working conditions during mining operations at mines of the Coal Department of ArcelorMittal Temirtau JSC, especially considering the increased depth of mining and higher gas content in coal seams [1]. Despite extensive experience in degassing, it is not always possible to significantly reduce the natural methane content in coal seams. The efficiency of coal seam degassing is affected by various geological factors, the main of which is the natural gas content of the coal seam along with the gas permeability, geological heterogeneity of coals (texture, structure, cleavage), mode of occurrence, geological disturbances [2, 3].
Keywords
Coal seam, Natural methane content, Degassing, Gas emission rate, Outburst hazard, Occurrence depth.
References
1. Drizhd N.A., Portnov V.S., Akhmatnurov D.R. et al. I nvestigation of methods to intensify gas emission from unloaded coal seams in the Karaganda basin. Karaganda, KarGTU Publ., 2020, 153 p. (In Russ.).
2. Technological regulations for designing coal mine ventilation. Karaganda, ArcelorMittal Temirtau JSC, 2011, 281 p. (In Russ.).
3. Demin V.F., Nemova N.A., Demina T.V. et al. Management of geomechanical processes to increase stability of coal massif. Nauchniy VestnikNGU - Novosibirsk State University Bulletin, 2016, No. 2, pp. 5-10. (In Russ.).
4. Demin V., Tomilov A. & Sultanova B. Automation of the Design of the Anchorage System Taking into Account the Geomechanical State of the Massif and Mining Development Schemes. VIII International Scientific and Practical Conference "Information and Measuring Equipment and Technologies" (IME&T 2017), 2018, Vol. 155. DOI: 10.1051/matecconf/201815501023.
For citation
Portnov V.S., Imanbaeva S.B., Mullagalieva L.F., Balniyazova G.M. & Shayakhmetov R.T. Forecast of natural methane content during coal seam mining. Ugol' -Russian Coal Journal, 2020, No. 11, pp. 53-57. (In Russ.). DOI: 10.18796/00415790-2020-11-53-57.
Paper info
Received June 9,2020 Reviewed July 11,2020 Accepted October 9,2020
