CC BY
50
_________________________________ © В.Н. Королева, Ю.Г. Анпилогов,
М.А. Перзадаев, М.П. Сарафанов, В.И. Тонких, 2009
УДК 622.831
В.Н. Королева, Ю.Г. Анпилогов, М.А. Перзадаев,
М.П. Сарафанов, В.И. Тонких
РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЗАБЛАГОВРЕМЕННОЙ ДЕГАЗАЦИОННОЙ ПОДГОТОВКИ ОСОБО ВЫБРОСООПАСНОГО ПЛАСТА К ЭФФЕКТИВНОЙ И БЕЗОПАСНОЙ ОТРАБОТКЕ
Обоснована необходимость широкого применения заблаговременного извлечения метана из угольных пластов для обеспечения высокопроизводительной и безопасной отработки запасов угля. Проанализированы основные проблемы дегазации угольных шахт. Рассмотрены особенности гидрорасчленения угольных пластов и его структура в зонах расчленения. Выделены направления совершенствования данной технологии.
Ключевые слова: угольные шахты, угольный метан, выбросоопасные пласты, газовыделение.
Угольные шахты относятся к предприятиям с особо опасными условиями труда. Удельный вес газовых шахт составляет более 75%. Более половины шахт относятся к III категории, сверхкатегорным или опасным по внезапным выбросам угля и газа. В последнее время в угольной промышленности России критического значения достигли частота и размеры аварий и катастроф на подземных угольных предприятиях. Наиболее значительные из них связаны с взрывами метана, выделяющегося из угольных пластов. Взрывы и вспышки метана инициируют взрывы угольной пыли, сопровождаются тяжелым материальным ущербом и большим числом человеческих жертв.
Основная проблема угольного метана - метанобезопасность угольных шахт. Достаточно напомнить, что за постсоветский период (1991-2005 гг.) на шахтах России произошло более 150 взрывов, число пострадавших составило 1042 человека (из них погибших -446). Две крупные аварии, происшедшие в марте и мае 2007 года на шахтах «Ульяновская» (погибли 110 человек) и «Юбилейная» (погибли 39 человек) существенно усугубили эту ситуацию. В связи с этим Правительственная комиссия, расследовавшая последствия двух аварий, приняла решение о необходимости применять дегаза-
цию угольных пластов до начала их разработки с таким расчетом, чтобы к моменту начала очистных работ природная газоносность составляла не более 9 м3/т.
Интенсивность травматизма на шахтах, опасных по внезапным выбросам, почти на 40% выше, чем на неопасных. Простои участков, связанные со взрывами, вспышками, внезапными выбросами, достигают 20%, а потери при проходке - 25%. Значительно хуже технико-экономические показатели отработки. Производительность труда на газовых шахтах на 25-40% ниже, а себестоимость угля в среднем на 35-45% выше, чем в аналогичных горногеологических условиях в негазовых шахтах.
Постоянное углубление горных работ приводит к ухудшению геологических условий: росту газоносности, увеличению доли выбросоопасных пластов. Несмотря на это угольная промышленность имеет благоприятные перспективы развития, базирующиеся на огромных разведанных запасах угля, негативных тенденциях развития нефтяной и газовой промышленности. По ряду прогнозных оценок спрос на уголь в нашей стране к 2020 г. увеличится до 600700 млн. т в год. Так только в Кузбассе предполагается увеличить производство угля до 270-300 млн. тонн против 180 в 2007 году. Обеспечение высоких технико-экономических показателей возможно только при кардинальном повышении нагрузки на очистные забои. Производительность современного очистного оборудования составляет от 5 до 25 т/мин., то есть позволяет обеспечивать нагрузки до 5 - 10 тыс. т/сут., а в ряде случаев до 25 тыс. т/сут.
Неотъемлемым элементом технологии разработки угольных пластов при современных нагрузках стала дегазация. Для обеспечения нагрузок на уровне 5000-8000 т/сут при газоносности угольных пластов более 20 м3/т в современных горнотехнических условиях эффективность дегазации добычного участка должна составлять не менее 80-85%, а разрабатываемого пласта 45-60%.
Основной причиной противоречия между потенциальными возможностями техники и технологии и их фактическими показателями является недостаточно эффективное решение проблем управления газодинамическим состоянием углепородного массива. Особенно остро это проявляется при ведении подготовительных работ, темпы которых все больше отстают от темпов подвигания очистных работ.
В Карагандинском угольном бассейне накоплен уникальный опыт концентрации работ по дегазации в управлении «Спецшахто-монтаждегазация» (УСШМД), которое было в 1970 году создано и предназначалось для выполнения и научно-практического обоснования дегазационных работ. Благодаря технически грамотной инженерной политике в практику работы шахт была введена комплексная дегазация подготавливаемых к разработке угольных пластов и выемочных участков, эффективность которой достигает 6080%. Но даже при такой высокой эффективности абсолютное газо-выделение в атмосферу шахты достигает 30 м3 в минуту и сдерживает интенсивность отработки угольного пласта. Достигнутая в настоящее время эффективность комплексной дегазации в значительной мере определяется глубокой дегазацией выработанного пространства. Однако с ростом нагрузки на очистной забой резко возрастает вклад метана, выделяющегося из разрабатываемого пласта и разрушаемого в забое угля. Дальнейшее совершенствование дегазации в условиях роста нагрузок на очистной забой свыше 4-5 тысяч т в сутки возможно только при условии извлечения метана непосредственно из разрабатываемого угольного пласта.
В этих условиях все большую актуальность приобретает технология заблаговременной дегазационной подготовки (ЗДП) шахтных полей через скважины с поверхности инициированная академиком А.А. Скочинским более 40 лет назад. За время испытаний, опытно-промышленной апробации и внедрения этого способа только в Карагандинском бассейне было обработано более 50 млн т запасов угля через 140 скважин на 10 шахтных полях. К настоящему времени в зонах ЗДП добыто более 25 млн т угля.
Целесообразность проведения ЗДП не всегда была очевидна. На многих шахтах других бассейнов она не очевидна и сегодня. В первую очередь это связано с достаточно большими капиталовложениями, которые могут окупиться лишь через 3-5 и более лет.
В настоящее время в Карагандинском угольном бассейне получен определенно положительный ответ на вопросы о целесообразности и технико-экономической эффективности применения заблаговременной дегазационной подготовки высокогазоносных угольных пластов к высокопроизводительной и безопасной отработке.
В настоящее время разработаны и используются более 30 способов и технологических схем дегазации. Среди них наиболее распространены:
- предварительная пластовая дегазация;
- дегазация выработанного пространства скважинами, пробуренными с поверхности;
- дегазация выработанного пространства и спутников скважинами, пробуренными из подготовительных выработок;
- барьерная дегазация.
Необходимо отметить, что дегазация вертикальными скважинами с поверхности имеет весьма серьезный недостаток: хотя выделение из вертикальных скважин большое, влияние их на газовы-деление в выработки невелико. Низкая эффективность вертикальных скважин объясняется тем, что значительную долю извлекаемого ими метана составляет метан, выделяющийся из пластов, про-пластков и слоев пород, удаленных от разрабатываемого пласта. В обычных условиях метан из указанных источников не проникает в выработанное пространство или выделяется в небольших количествах. Вертикальные скважины увеличивают извлечение метана из подработанных пластов и пород в 1,5-2 раза, т.е. являются не столько дегазирующими, сколько метанодобывающими. Другой недостаток способа - высокая стоимость пробуренных с поверхности вертикальных скважин. На глубинах более 400 м стоимость бурения скважины существенно зависит от ее диаметра.
Эффективность работы скважин во многом определяется правильным выбором параметров их заложения (расстояние от забоя скважины до вентиляционного штрека, расстояние между скважинами, величина рабочей зоны скважин) и режимом работы (разрежение на устье скважины). С увеличением глубины дебит этих скважин также падает в результате более быстрого восстановления горного давления, повышается аварийность в результате их срезания при подработке.
В условиях высокопроизводительных лав при большой скорости подвигания очистных забоев значительно сокращается возможность применения обычных схем предварительной дегазации из-за уменьшения интервала между окончанием подготовки выемочного столба и началом очистных работ. Это сокращает период активной работы дегазационных скважин. По данным МакНИИ, предварительная дегазация не может обеспечить необходимое сниже-
ние газовыделения при скоростях подвигания очистного забоя в 1,51,8 раза выше существующих.
Эффективность предварительной дегазации определяется газопроницаемостью угольных пластов, сеткой заложения скважин и продолжительностью их эксплуатации. Количество извлекаемого метана при применении данного способа с увеличением глубины залегания пластов постоянно возрастает, однако это происходит не за счет расширения области его применения, а вследствие увеличения плотности бурения скважин и вовлечения в разработку запасов угля с соответствующими условиями. Доля метана, извлекаемого этим способом, постоянно снижается и сейчас не превышает 6%.
Значительно повысить эффективность пластовой дегазации удалось при комплексном способе, где пластовые скважины были использованы в зонах гидрорасчленения. Коэффициент интенсификации газовыделения при этом составил 3-7, а концентрация метана изменилась от 21 до 90% и среднем составляла 48%, что выше, чем у обычных пластовых.
При извлечении метана перфорированными патрубками концентрация метана в извлекаемом газе низкая (2-18%) из-за хорошей аэродинамической связи с атмосферой горных выработок.
Вместо скважин в некоторых случаях используется проведение газодренажных выработок по разгружаемому пласту или газоносным породам. Однако параметры извлекаемой метановоздушной смеси изменяются в широких диапазонах. Эффективное использование способа во многом определяется составом вмещающих пород напряженно-деформированным состоянием углепородного массива.
Широко используется дегазация спутников скважинами, пробуренными из горных выработок. Наиболее успешно этот способ применяется на шахтах Воркутинского бассейна и обеспечивает эффективность до 60%. Бурение этих скважин осуществляется с конвейерного штрека после посадки основной кровли. Параметры заложения определяются свойствами и структурой вмещающих пород, основным является мощность междупластья. Одним из основных недостатков данного способа является то, что для сохранности скважин их бурение осуществляют после прохода лавы, приводящее к отставанию дегазационных работ от очистных. Следовательно, увеличение нагрузок приведет к снижению эффективности способа и ухудшению метано-безопасности горных работ.
При дегазации барьерными скважинами концентрация метана в извлекаемом газе составляет 2-10%, что и определяет низкую эффективность способа.
Из организационно-технических факторов, определяющих эффективность дегазации и компонентный состав извлекаемой метановоздушной смеси, следует выделить:
- герметизацию подземных скважин;
- совершенствование вакуум-насосных станций;
- организационные.
Критический анализ способов дегазации с учетом требований утилизации и перспективный анализ способов извлечения метана с увеличением глубины разработки позволяют научно обоснованно подойти к конструированию технологических схем извлечения кондиционного метана.
Учитывая тенденции изменения горно-геологических и горнотехнологических условий, а также требования обеспечения кондиционного состава каптируемого газа наиболее перспективными способами дегазации являются: пластовые скважины в зонах активного воздействия; подземные скважины на спутники, использующие эффект разгрузки; скважины, пробуренные через между-пластье, с активным воздействием и в зонах гидрорасчленения; заблаговременное извлечение метана из неразгруженных угольных пластов (с закреплением системы трещин на больших глубинах). Таким образом, в современных условиях особый интерес представляют те способы дегазации, которые обеспечивают и высокую эффективность и извлечение газа с высокой концентрацией метана. Наиболее рациональной представляется следующая схема:
- отработка сближенных угольных пластов ведется в восходящем порядке, что позволяет использовать эффект разгрузки, а метан извлекается из массива при концентрации 50-70%;
- одиночные пласты и пласты первоочередной отработки дегазируются заблаговременно через скважины с поверхности с использованием активных воздействий.
В настоящее время способ заблаговременной дегазационной подготовки используется в Карагандинском угольном бассейне (Республика Казахстан), где он испытан, апробирован и доведен до уровня практической реализации с концентрацией работ в специализированном управлении «Спецшахтомонтаждегазация».
Способ заблаговременной дегазации угольных пластов на основе их гидрорасчленения через скважины с поверхности позволяет извлекать газ практически природного компонентного состава, т.е. содержащий более 95% метана.
В результате гидравлического воздействия на угольный пласт в зоне гидрорасчленения можно выделить несколько областей, отличающихся характером и величиной раскрытия имеющихся в пласте и вновь раскрываемых трещин: область гидроразрыва, область гидрорасчленения и область фильтрации. На равномерность и эффективность обработки пласта и последующей дегазации определяющее влияние оказывает геометрия трещин в первых двух зонах, поскольку проницаемость этих областей значительно превосходит проницаемость оставшейся части угольного пласта.
Развитие системы трещин в угольном пласте под воздействием нагнетаемой с высоким темпом рабочей жидкости имеет ряд отличительных особенностей. Во-первых, развитие трещин происходит в естественно-трещиноватой среде, причем густота естественных трещин существенно выше, чем прорастающих. Во-вторых, их развитие, происходящее за счет давления в жидкости, отличается характерным распределением сил в верхние трещины. В-третьих, механизм развития трещин внутреннего давления в угольном пласте отличается от механизма, разработанного в теории гидроразрыва нефтяных и газовых платов. Основное отличие заключается в локализации трещин в относительно тонком слое мягкого материала, зажатого высокомодульными породами.
Геометрия раскрываемой системы трещин определяется, прежде всего свойствами среды и взаимодействием между прорастающими трещинами. Установлено, что при расстоянии между трещинами больше двух их диаметров, взаимное влияние выражено мало. Однако, когда трещины расположены ближе, их взаимное влияние может оказаться решающим.
Достаточно подробно взаимное влияние трещин внутреннего давления исследовано в неограниченной среде при их произвольном взаимном расположении. Когда трещины расположены параллельно друг другу, развитие затруднено по сравнению с изолированными трещинами, причем тем больше, чем ближе расположены трещины. Это говорит о том, что длительное развитие параллельных трещин на близком расстоянии друг от друга маловероятно. Напротив, в направлении, близком к линии, соединяющей центры трещин, их прорастание облег-
чено. При попадании вершины одной трещины в зону влияния другой, они будут стараться слиться. При расположении трещин под углом до 300 условия прорастания несколько ухудшены. Эти закономерности могут быть использованы для управления процессом равномерного прорастания трещин от поверхности скважины с учетом геологических и горнотехнических факторов, влияющих на анизотропию пласта.
Изучение процесса движения жидкости по трещине показало, что основное падение давления происходит в зоне расчленения. Наличие жидкости в области на периферии зоны расчленения затрудняет раскрытие и ветвление трещин. Поэтому именно периферийная область зоны гидрорасчленения обрабатывается хуже всего.
В прискважинной области зоны расчленения, имеющей размеры от 30 до 60 м от скважины трещины гидрорасчленения имеют ярко выраженный характер. Их зияние составляло от 1 до 25 мм, что позволяло их визуальное обнаружение при ведении горных работ. В зонах неосвоенных и плохо освоенных скважин эта часть зон расчленения может быть склонной повышенному газовыделению в забой подготовительной выработки или в прогнозный шпур, пересекающих эти трещины с движущимся потоком газа с периферии зоны воздействия к скважине. Так, на поле шахты им. Костенко при проведении подготовительной выработки по пласту кі2 вблизи неосвоенной скважины ГРП-8 была вскрыта крупная трещина зиянием 6 см и две вертикальные трещины зиянием 0,5-1,5 см, из которых наблюдалось интенсивное газовыделение. В забое была возведена временная перемычка и пробурены две скважины, подключенные к вакууму. За два месяца вакуумирования из этих трещин было извлечено около 1 млн. м3 метана.
На поле шахты «Саранская» в зоне неосвоенной скважины ГРП-5 в подготовительной выработке был пробурен прогнозный шпур, пересекающий трещину гидрорасчленения зиянием 20 мм. Газовыделение в этот шпур в первые часы составляло свыше 2 м3/мин метана.
В периферийных частях зон гидрорасчленения трещины имеют как правило меньшее зияние и визуально при горных работах не обнаруживаются. Однако их наличие проявляется в виде достаточно высоких единичных замеров начальной скорости газовыделения с метрового интервала в прогнозные шпуры, существенно отличающихся от средних значений этого показателя по зоне воздействия.
Наличие на границе зон гидрорасчленения области, насыщение которой рабочей жидкостью происходит в режиме фильтрации про-
слеживается по пористости и влажности угля. Начальная скорость га-зовыделения в прогнозный шпур на границе зон гидрорасчленения также отличается от других частей зон гидрорасчленения и имеет в основном «нулевые» значения.
В целом анализ ранее полученных результатов ведения горных работ по пласту к^ на шахтах «Саранская», «Сокурская» и им. Костенко позволяет утверждать о существенном влиянии гидрорасчленения на свойства пласта. Была доказана эффективность этого способа по снижению газоносности и выбросоопасности угольного пласта.
По результатам ведения горных работ в зонах активного воздействия на глубине до 400-450 м способ заблаговременной дегазации угольных пластов на основе их гидрорасчленения через скважины с поверхности показал достаточно высокую эффективность, так съем метана в зонах дегазации достигал 7-9 м3/т, газообильность подготовительных выработок в зависимости от срока освоения была снижена на 40-75%, скорость их проведения увеличилась в 1,3-1,9 раза. Дебит ряда скважин достигал 2-3 м3/мин (отдельных - до 4-5 м3/мин), а срок их эффективной эксплуатации - 3-5 лет. На ряде участков подготовительные выработки по выбросоопасным пластам проводились без локальных противовыбросных мероприятий. Нагрузка на очистной забой увеличилась на 12-29%.
Анализ результатов газообильности горных выработок позволил выделить следующие особенности, характерные для зон заблаговременной дегазации:
- газоносность пласта увеличивается от скважины к периферийной части, оставаясь ниже природной;
- при пересечении крупных систем трещин возможно кратковременное повышение газовыделения в подготовительные выработки.
С углублением горных работ данному способу, как и другим способам дегазации, присуща тенденция снижения эффективности.
К другим его недостаткам следует отнести:
- необходимость значительных долгосрочных вложений для его реализации;
- недостаточна стабильность результатов при его применении в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях.
Препятствием на пути широкого использования данного способа являлось также отсутствие корректной оценки влияния заблаговременной дегазации как регионального мероприятия на технологию ведения горных работ, которое стало возможно только после
проведения подготовительных и очистных работ на восточном крыле шахты им. Ленина, где размер обработанного участка составил около 500 м по падению пласта d6 и 1500 м по простиранию.
Анализ технико-экономических результатов заблаговременного извлечения угольного метана показывает, что одной из наиболее актуальных задач развития данного способа является существенное увеличение дебита скважин. В то же время необходимо отметить, что только увеличение дебита не позволяет кардинально улучшить технико-экономические показатели способа. Причиной этого является то, что основная доля затрат приходится на сооружение скважин, монтаж поверхностного комплекса и обработку скважин, т.е. капитальные затраты. Как показал техникоэкономический анализ результатов эксплуатации 14 скважин на поле шахты им. Ленина, ежегодные затраты на освоение одной скважины не превышают 10-15% капитальных затрат в первый год освоения (в зависимости от необходимости и частоты проведения интенсификации и ремонтных работ), а в последующем несколько снижаются. При увеличении дебита скважин от достигнутого в 2-3 раза соответственно сокращается и срок их службы, однако затраты на извлечение метана снижаются не более чем на 25-35%.
Следствием этого является необходимость комплексного совершенствования способа, обеспечивающего увеличение газовыде-ления и радиуса обработки пласта за счет: совершенствования технологии активного воздействия в целом; изыскания новых рабочих агентов, в частности; выявления зон повышенной газоносности или газопроницаемости.
Укрупненная оценка показывает, что затраты на добычу угольного метана (без учета результатов ведения горных работ) окупаются уже при дебите 2-3 м3/мин и запасах угля, приходящихся на одну скважину, порядка 500-550 тыс. т, что для пласта мощностью 6 м соответствует эффективному радиусу воздействия около 150 м.
На восточном крыле шахты им. В.И. Ленина через 22 скважины заблаговременной дегазационной подготовки обработано около 7 млн. тонн запасов пласта d6. Положительные результаты отработки позволили рекомендовать более широкое использование данной технологии. В настоящее время на западном крыле шахты «Казахстанская» функционирует комплекс из 25 скважин, обработан участок запасов
на шахте «Шахтинская», планируется заблаговременная дегазация и на других участках, ніш
Koroleva V.N., Anpilogov J.G., PerzadaevM.A.,
SarafanovM.P., Tonkih V.I.
DEVELOPMENT AND TECHNOLOGY INTRODUCTION OF TIMELY DEGASSING PREPARATIONS OF ESPECIALLY EJECTION-RISKY LAYER TO EFFECTIVE AND SAFE MINE WORKING.
We have justified the necessity of a wide-scale advanced methane recovery from coal seams to ensure high-capacity and safe coal mining operations. We have also considered the main problems of coal mine degassing, peculiaries of coal seam hydro cutting, its structure in the effected area; technology improvement directions have been identified.
Key words: coal mines, coal methane, emission-risky layers, gas emission.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------
Королева В.Н., Анпилогов Ю.Г. - Московский государственный горный университет,
Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
Перзадаев М.А., Сарафанов М.П., Тонких В.И. - АО «АрселорМиттал
Темиртау».
