CC BY
12
© Г.Я. Полевщиков, Н.В. Рябков, Е.П. Ютяев, 2008
УДК 622. 817. 47
Г.Я. Полевщиков, Н.В. Рябков, Е.П. Ютяев
ПРОГРАММА ИННОВАЦИЙ ПО УПРАВЛЕНИЮ ГАЗОДИНАМИКОЙ ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ РАБОТ
настоящему периоду многократное увеличение скорости
-»V подвигания очистных забоев резко интенсифицировало динамику газопритоков на выемочные участки, а концентрация горных работ сконцентрировала эти притоки на небольших участках вентиляционной сети. В результате, рассчитываемая на статические режимы вентиляционная система зачастую оказывается не в состоянии обеспечить нормальную газовую обстановку в необходимом спектре режимов, а повышенная энергонасыщенность именно этого локального участка способствует росту вероятности воспламенений.
Убедительным подтверждением сложности задач является опыт Австралии, несомненного лидера в технологиях разработки углегазовых месторождений. На глубинах ведения горных работ более 300 м газопроницаемость пластов снизилась, и применение дегазации стало мало эффективным. Скорости подвигания подготовительных выработок в этих условиях уменьшились в три раза. Обеспечение безопасных значений газоносности пластов в технологически приемлемые сроки стало невозможным, и шахты вынуждены взаимно согласовывать планы развития горных работ для предотвращения срывов поставок угля. В первой половине 90-х годов произошло 5 внезапных выбросов, сопровождавшихся гибелью людей.
Современная производительность забоев столь высока, что существующие методы и средства оценки ситуаций, уточнения особенностей физических процессов горного производства, анализа следствий технологических решений оказываются недопустимо инерционными. Они выходят за пределы оперативных возможностей технологических служб шахт, приводят к запаздыванию управляющих воздействий и их низкой эффективности.
150
Следует подчеркнуть, в решение рассматриваемой интернациональной проблемы Россия способна внести значительный вклад, в т.ч. и на основе инновационного опыта ведения горных работ в Кузнецком угольном бассейне.
Ниже представлены основные фрагменты программы развития инноваций по управлению газодинамикой высокотехнологичных горных работ. Программа разработана на базе результатов фундаментальных исследований РАН в области рудничной аэрогазодинамики, адаптированных к современным условиям горных работ шахт Кузбасса. Изложенные ниже виды и последовательность внедрения результатов НИОКР имеют цель минимизировать период возврата инвестиций на управление газопроявлениями в шахте за счет повышенных темпов горных работ. Каждый из фрагментов программы имеет и самостоятельную значимость, но наибольшая эффективность достигается при использовании их комплекса.
Базовое информационно-техническое обеспечение
Карты регионального прогноза природной газовой и газодинамической активности рабочих пластов на горном отводе шахты обеспечивают повышение надежности проектных решений ведения подготовительных и очистных работ путем получения пространственной информации о газодинамической активности разрабатываемых пластов и газового потенциала массива горных пород.
В качестве примера на рис. 1 приведены геологоразведочные данные о газоносности рабочих пластов ОАО «Шахты им. С.М. Кирова». Из разброса значений очевиден вывод о целесообразности картирования этой информации, особенно если имеем длины выемочных столбов, соизмеримые с размерами горного отвода.
Учитывая высокую угленосность месторождения не менее очевидна необходимость картирования изменений и газового потенциалов всего массива горных пород в пределах, как минимум, горного блока.
Построение карт обеспечит мотивацию инвестиций на соответствующие технологии комплексного управления газовыделением с учетом планов развития горных работ и, тем самым, снизит затраты на реализацию неадекватных волевых решений, принимаемых в условиях уже существующей газовой опасности.
151
40
♦ ленинская свита О пласт Богщьревский
— предельная метаноносность свиты и пласта
0
200
400
600
Н, м
100С
♦ ускатская свита
О пласт Поленовский
• предельная метаноносность пластов свиты
— предельная метаноносность пласта Поленовского
б
а
Рис. 1. Сопоставление распределений газоносности угольных пластов Болдыревского (а) и Поленовского (б) с общими данными по соответственно ленинской и ускатской свитам на Ленинском месторождении Кузбасса
150
Пакер кумулятивный для поинтервального гидроразрыва пласта через дегазационную скважину обеспечивает повышенную эффективность дегазации разрабатываемого пласта в установленных прогнозом зонах потенциальной газовой и газодинамической опасности.
Пакер прошел промышленные испытания на шахтах Кузбасса в 1993-1994 гг. при проведении подготовительных выработок по выбросоопасных пластам (наиболее сложные условия) и был допущен к промышленному применению. Но для использования с целью предварительной дегазации отрабатываемого пласта через длинные скважины потребовалось изменить конструкцию. Эти работы были профинансированы ОАО «Шахта им. С.М. Кирова» и ОАО «Южкузбассуголь» в 2006 г. В обоих случаях не решен вопрос о комплектации пакера высоконапорными упругорасширяю-щимися рукавами и доработка изделия остановлена. С учетом этих затруднений, к настоящему времени разработана прошедшая экспертизу и конструкторское обоснование другая конструкция, исключающая необходимость применения рукавов.
Как показывает мировой опыт, без создания собственной технической базы повысить эффективность предварительной и, тем более, заблаговременной дегазации угольных пластов и месторождений невозможно.
Подготовительные выработки
Метод автоматизированного контроля газодинамической активности приконтурной части пласта по динамике метанообиль-ности подготовительной выработки - обеспечивает, на технической основе имеющих базы горно-геологи-ческих и оперативных технологических данных компьютеризированных систем контроля рудничной атмосферы, непрерывный автоматизированный контроль газодинамического состояния призабойной части пласта с оценкой эффективности его дегазации. Сущность метода наглядно иллюстрируется следующей схемой (рис. 2). Метод обеспечивает уточнение критического значения газоносности и расчет притока газа и его концентрации. Все случаи превышения следует относить к потенциально опасным и анализировать более тщательно, т.к. их причинами являются:
- приближение границ зоны разгрузки пласта выработкой к природному газовому коллектору, содержащему свободный газ в развитых системах открытых трещин;
153
2,0
1,5
О 1234567
Т , час -
Рис. 2. Связь динамики концентрации метана в призабойном объеме выработки с видом газодинамической опасности
- накопление энергии в призабойной части пласта в результате неблагоприятного сочетания горнотехнологических факторов.
Результаты испытаний в зонах фактической выбросоопасности при проведении выработок на шахтах «Чертинская», "Бирюлин-ская" и "Первомайская" показали, что разработанный метод обеспечил заблаговременность информации об опасности за 5-7 м до места внезапных выбросов с массой выброшенного угля 15, 54 и 105 т. Причем, информация о недопустимо высоком уровне газодинамической активности пласта на этих 5-7 метровых участках проведения выработки постоянно повторялась при взятии очередных заходок. Иначе, 6-9 раз, в том числе и в случаях применения весьма интенсивного воздействия на пласт для предотвращения выбросов с помощью разгрузочно-дегазационных скважин.
Основные положения метода прошли промышленные испытания на шахтах Кузбасса в 1993-1994 гг. при проведении подготовительных выработок по выбросоопасным пластам и были допущены к промышленному применению на уровне, в начале бассейнового, а затем и отраслевого норматива. Но при переиздании отраслевых документов в них не включены в связи с повышенными требованиями при формировании исходных данных. Оснащение шахт компьютеризированными системами это затруднение снимает, но необходим соответствующий цикл работ по промышленной про-
154
верке в современных условиях и разработке программного обеспечения.
Технологические предложения по эффективной дегазации отрабатываемого пласта на основе поинтервального гидроразрыва через дегазационную скважину: согласует требования по нормализации газовой обстановки в горных выработках при различных схемах проветривания выемочных участков, регламентирует снижение выбросоопасности пластов и поддержание соответствующей условиям утилизации концентрации метана в дегазационной системе; учитывает, на уровне картирования, требуемую эффективность дегазации в технологически приемлемые сроки, установленную региональным и локальным прогнозом зон потенциальной газовой и газодинамической опасности разрабатываемого пласта.
Комплексно-механизированные выемочные участки с производительностью более 3000 т/сут
Метод автоматизированного текущего прогноза динамики метанообильности высокопроизводительного выемочного участка обеспечивает, на технической основе имеющих базы горногеологических и оперативных технологических данных компьютеризированных систем контроля рудничной атмосферы, непрерывный автоматизированный контроль газодинамических ситуаций на выемочном участке.
Метод предназначен для непрерывного автоматизированного прогноза на сутки, декаду и т.д. газовой обстановки на выемочном участке с оценкой эффективности технологических решений по комплексному управлению газопроявлениями, в т.ч. и с учетом особенностей технологического цикла и разделением природных источников притока метана и технологических объектов. На обязательность ее применения при современных скоростях подвигания забоев указывают фактические данные динамики метанообильности выемочных участков (рис. 3).
Из рис. 3, к тому же, следует, что относительному снижению метанообильности на каком-то интервале подвигания забоя в дальнейшем неизбежно следует адекватный рост стока метана. Иными словами, снижение скорости газоистощения пласта-спутника, в связи с задержкой обрушения основной
155
Рис. 3. Газокинетическая подпись массива горных пород (газокинетический паттерн)
150
кровли, приводит к динамической разрядке его газового потенциала в период обрушения. Чем больше «зависание» кровли, выше природный газовый потенциал подрабатываемого массива горных пород и его «сближенность» с отрабатываемым пластом, тем резче динамика реализации, вплоть до внезапного выброса огромных объемов газа в выработанное пространство действующего участка с последующим опрокидыванием вентиляционных потоков в горных выработках.
Заключение.
1. Популярные в России суждения об отсутствии научной основы инновационных технологий обусловлены, прежде всего, низким уровнем проводимого угольными компаниями маркетинга рынка научно-технической продукции как отечественного, так и зарубежного, что снижает возврат инвестиций в развитие производства.
2. Разрабатываемая ИУУ СО РАН научная основа инновационных технологий в области газодинамики шахт для ее широкого использования промышленностью требует создания соответствующей инфраструктуры «наука-производство» с объемами финансирования, намного превышающими реальные возможности госбюджетной части фундаментальных исследований.
3. Соответствующий рост финансирования внедрения предлагаемой программы НИОКР отдельными угольными компаниями мало перспективен, в связи с высокой неопределенностью прав собственности заказчика и исполнителя на рынке научно-технической продукции.
Работы выполняются в рамках фундаментальных исследований РАН, по заказам ОАО «Шахта «Чертинская-Коксовая», ОАО «Шахта им. С.М. Кирова» и некоторых других шахт Кузбасса, а так же при финансовой поддержке междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН № 89 и гранта Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Фонда Бортника), 1г.ц=1
— Коротко об авторах -
Полевщиков Г.Я.. - д-р техн. наук, Институт угля и углехимии СО РАН, Рябков Н.В. - ОАО «Шахта «Чертинская-Коксовая», Ютяев Е.П. - ОАО «Шахта им. С.М. Кирова».
157
