CC BY
27
--© С.В. Сластунов, К.С. Коликов,
Ю.М. Стефлюк , А.И. Полчин,
2012
УДК: 622.831.322
С.В. Сластунов, К. С. Коликов, Ю.М. Стефлюк, А.И. Полчин
СНИЖЕНИЕВЫБРОСООПАСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ НА ОСНОВЕ ЗАБЛАГОВРЕМЕННОЙ ДЕГАЗАЦИОННОЙ ПОДГОТОВКИ
Рассмотрен вопрос эффективности заблаговременной дегазационной подготовки по снижению выбросоопасности угольных пластов.
Ключевые слова: выбросы, энергия потенциальная, угольные пласты, газоносность, давление, сорбция, прогноз, эффективность..
Лроблема предотвращения внезапных выбросов остается крайне актуальной как с научной, так и практической точки зрения. Основными факторами, определяющими развитие вы-бросоопасной ситуации, являются:
• горное давление, точнее аномалии напряженно-деформированного состояния угольного массива;
• газовый фактор, включающий как энергию газа в поровом объеме, так и энергию десорбирующегося газа;
• свойства и нарушенность угольного пласта.
Наиболее надежным способом предотвращения выбросов является отработка защитных пластов, т.к. в этом случае обеспечивается возможность влияния на первые два фактора. Однако, далеко не во всех условиях возможно применение данного способа.
При отработке одиночных пластов или первоочередной отработке выбросоопасных пластов наиболее эффективными представляются два варианта:
• полевая подготовка с использованием дегазации зон будущих пластовых выработок [1];
• заблаговременная дегазационная подготовка угольного пласта.
Эти способы применяются в Карагандинском угольном бассейне при отработке выбросоопасного пласта d6, который с глубины 250 м от поверхности отнесен к опасным по газодинамическим явлениям, а с глубины 320 м - к особо выбросоопасным. Природная
газоносность угля достигает 18 м3/т и более, отличительной особенностью этого пласта является высокое содержание свободного газа и наличие слабой пачки угля.
Первый способ, воздействуя на первые два фактора, требует удвоения объемов подготовительных работ и дегазируется только зона будущих пластовых выработок, при этом сохраняется опасность газодинамических явлений при бурении газодренажных скважин.
Заблаговременная дегазация позволяет влиять на последние два фактора. Основную роль играет снижение газоносности угля и, как следствие, газового давления.
Оценка роли горного давления, энергии газа в поровом пространстве, энергии десорбированного газа представлена в работе [2].
Удельная потенциальная энергия угля под действием горного давления оценивалась по формуле
1 "V,
к =—(°1 + +
2Е
(1)
где а^, Оу, Ох - нормальные напряжения горного давления, Па; V -коэффициент Пуассона, Е - модуль деформации, Па.
Энергия газа в поровом пространстве при адиабатическом расширении газа оценивалась выражением:
К2 =
РУ1
7 - х)
1
2
к-1 Л
Р1
1
(2)
V У
где Р\ и Р2 - начальное пластовое и конечное атмосферное давление газа в процессе адиабатического расширения; У\ -относительный объем газа, занимающего поровое пространства (пористость), м3/м3; у - коэффициент адиабаты газа, у=1,33.
Масса М десорбированного газа в процессе диффузии с поверхности частицы определялась из решения уравнения диффузии
М 6 » = 1--Г Ь ехР
Л п=1
(
М
Dn 2л2Л
V
а
(3)
где D - коэффициент диффузии, м2/с; t - время, с; а - радиус частицы, м; Мх - масса газа в частице угля (исходная газоносность угля), кг/кг.
7
Энергия этого газа при адиабатическом расширении рассчитывалась по формуле (2).
Оценка этих составляющих для начального давления газа 4,0 МПа, коэффициенте диффузии ^=10_10м2/с из угольных частиц диаметром 2а=1мм и 1^=0,05 м3/м3 показала, что потенциал энергии десорбированного газа составляет 0,48 МДж/м3 и превышает сумму потенциалов горного давления 0,18 МДж/м3 и газа в поро-вом пространстве 0,36 МДж/м3.
Снижение газоносности и газового давления при заблаговременной дегазации приводит к резкому снижению роли газа. Так потенциал газа в поровом пространстве при снижении газового давления на 40-60 % снижается на 70-80%. Практически аналогичные результаты имеет оценка потенциала энергии десорбированного газа. Общий потенциал энергии в зонах заблаговременной дегазации можно оценить в интервале 0,35-0,41 МДж/м3.
В работе [3] отмечается, что одним из двух экспериментально установленных критериальных условий, определяющим возможность возникновения лавинного разрушения, являются запас реализуемой удельной потенциальной геоэнергии (суммы упругой потенциальной энергии угля и потенциальной энергии выделяющегося газа при внезапных выбросах угля и газа) должен быть выше 0,3^0,5 МДж/м3.
С учетом того, что на глубинах действующих забоев газовое давление составляет 2,5-3,5 МПа заблаговременная дегазация обеспечивает снижение потенциальной энергии до безопасных уровней. Данный вывод подтверждается результатами применения этого способа на поле шахты им. В.И. Ленина, где заблаговременная дегазационная подготовка достаточно широко и успешно апробирована на восточном крыле шахты им. В.И. Ленина. На шахте кроме первых 14 скважин, в последующем было обработано ещё 7, в настоящее время технология реализована на западном крыле шахты Казахстанская, где обработка пласта проведена через 29 скважин. Общий объем обработанных запасов составил более 10 млн. т.
На шахте им. Ленина обработка пласта была проведена на первом этапе через 14 скважин. Из каждой скважины было извлечено от 500 тысяч до 2 миллионов кубометров чистого метана с концентрацией 95-97 %. В ходе этого инженерного мероприятия к мета-нобезопасной отработке было подготовлено более 4 млн т уголь-
ных запасов, из которых было извлечено около 20 млн м3 газа. Средний съем метана составил 5 м3 на тонну угля. В результате выполненных работ были созданы предпосылки для метанобез-опасной подготовки и отработки лав 301-дб-1В - 306-дб-1В. При таком съеме метана в зонах ЗДП можно не применять пластовую дегазацию. Кроме того, при очистных работах эти скважины использовались для извлечения метана из куполов обрушения выработанного пространства лав.
Необходимо отметить, что заложение этих 14 скважин было произведено исходя из схемы отработки пласта лавами по простиранию. В результате новой раскройки шахтного поля схема отработки была изменена на выемку лавами по падению, и в зоне заблаговременной дегазации оказалась только верхняя часть отрабатываемых лав 301-дб-1В - 306-дб-1В.
Оценка технико-экономической эффективности заблаговременной дегазации на поле нашей шахты производилась при ведении подготовительных и очистных горных работ в б лавах. Выполненными исследованиями установлено, что в результате гидрорасчленения проницаемость массива повышается на 3 порядка и более, а пористость угольного вещества увеличивается в 1,5-2,0 раза. За счет извлечения метана газоносность угля снижена на 25-50 %, а пластовое давление газа - на 40-70 %. Предотвращение возможности формирования выбросоопасной ситуации в зонах ЗДП определяется увеличением фильтрационных характеристик сформированной трещинной структуры пласта, что обеспечивает эффективный дренаж метана из призабойной части подготовительной выработки и предотвращает возможность формирования выбросоопасной ситуации. Это подтвердилось при текущем прогнозе выбросоопасно-сти в забоях подготовительных выработок. В ряде случаев, особенно при проведении выработок в зонах недостаточно освоенных скважин отмечались отдельные опасные значения R\. В тоже время контроль по динамике газовыделения из прогнозных шпуров во
времени ^5^0) показывал неопасные значения (0,7-1,0). Вне зон
этот показатель имел опасные значения и составлял (0,2-0,5). Такой характер, как правило, объясняется вскрытием прогнозными шпурами трещин гидрорасчленения, по которым метан поступает из пласта к скважинам.
В связи с повышенной выбросоопасностью данного участка шахтного поля, проведение подготовительных выработок вне зависимости от показателей текущего прогноза выбросоопасности, как на участках сравнения, так и в зонах ЗДП, осуществлялось с бурением газодренажных скважин под контур забоя выработки. Газодренажные скважины достаточно надежно предотвращают газодинамические явления, однако в процессе их бурения наблюдается интенсивное газовыделение, которое может привести к загазирова-нию выработки. На поле шахты им. Ленина более 50 % случаев за-газирований подготовительных забоев отмечается при бурении газодренажных скважин. В зонах ЗДП интенсивность газовыделения при бурении газодренажных скважин снижена на 60-80 %, интенсивность газовыделения при работе комбайна уменьшена на 50-80 %, а газообильность подготовительных выработок снижена на 4060 %. Темпы проведения подготовительных выработок в зонах ЗДП составляли 50-80 м в месяц. На участках сравнения они не превышали 40, а на наиболее сложных участках 10-20 м в месяц.
Следует отметить, что выработки были пройдены не только на различных расстояниях от скважин, но и в зонах, отличающихся степенью освоенности и съемом метана, (табл. 1). Обобщенные показатели и характеристика зон заблаговременной дегазационной подготовки представлены в табл. 2.
Наиболее высокая доля опасных значений (23,8 %) отмечена в зоне скважины № 5, где съем метана не превышал 1 м3/т. Далее с показателями 19 % и 16,7 % выделяются зоны соответственно скважин №12 и №3. Причиной здесь является значительное (более 100 м) расстояние от скважин. Отсутствие корреляции между минимальным расстоянием до скважины и долей опасных значений по зоне скважины № 11 объясняется тем, что конвейерный бремсберг 3.02- d6-1B пройден по верхней, более освоенной части, в то время, как конвейерный бремсберг 3.03^б-1В пройден по нижней (по падению пласта) части зоны. Несмотря на весомую в ряде случаев долю опасных значений необходимо отметить значительное снижение
Таблица 1
№ скважи- Извлечено рабочей жидкости Извлечено метана
ны самоизлив всего тыс. м3 м3/т
% м3 %
3 4,1 1560 27,2 984,3 3,06
5 17,1 2133 37,3 248 0,8
10 9,1 1674 29,1 768,7 2,25
11 14,5 1946 30,6 1373,6 3,7
12 8,5 1827 32 1997,4 5,92
Таблица 2
№ скважины Выработка Участок (длина тупика), м Показатель выбросо-опасности, Rl mln-max среднее Стандартное отклонение Минимальное рассто-111II 1С до скв.ГРП, м Доля выбросо-опасных значе-ний,%
3 конв. бр-г 3.03-а6-ш 0^112 -10,2^ -1,3 -7,56 2,2 30 0
3 конв. бр-г 3.04-а6-1в 90^152 -7^ 4 -3,78 3,47 114 16,7
5 конв. бр-г 3ш-а6-т 0^140 -10,3^12,2 -4,16 6,53 90 23,8
10 конв. бр-г 3.04-а6-1в 208^398 -10^-1,44 -6,2 2.04 4 0
11 конв. бр-г 3.02-а6-1в 272^300 -9,2^ -0 9 -4,95 2.97 86 0
11 конв. бр-г 3.03-а6-1в 288^452 -10,7^ 8 -6,06 4,07 63 9,8
12 конв. бр-г 3ш-а6-т 183^362 -10,2^6,2 -6,13 4,06 32 13
12 конв. бр-г 3.02-а6-1в 348^412 -9,2^7,0 -3,92 4,56 120 19
выбросоопасности в зонах скважин гидрорасчленения. Так, при проведении конвейерного бремсберга 3.03^6-1В на участке скважин №5 и №12 среднее значение показателя выбросоопасности Rl
составляло -5,48 при величине стандартного отклонения Фп= 5,0.
На участке сравнения эти показатели составляли соответственно 0,16 и 8,18. При проведении конвейерного бремсберга 3.02- d6-1B на участке скважин №11 и №12 показатель выбросоопасности составлял - 4,91 при стандартном отклонении 4,31.
На участке сравнения эти показатели увеличились соответственно до - 1,04 и 6,96. Конвейерный бремсберг 3.03- d6-1B пересекал зоны скважин №3 и №11. Средняя величина показателя вы-бросоопасности Rl= -5,88 при стандартном отклонении 4,15. Вне зоны эти показатели составляли соответственно -0.83 и 8,91. Аналогичный характер изменения показателя выбросоопасности отмечен при проведении конвейерного бремсберга 3.04^6-1В на
участке скважи № 3 и №10 Rl=-5,72, Сп =2,81. Вне зон средняя величина показателя выбросоопасности увеличилась до - 1,78, а стандартное отклонение до 6,75.
Анализируя данные, представленные в табл. 2 и 3 можно отметить следующее:
- наиболее часто опасные значения отмечаются на слабодега-зированных участках (скв. №5) при этом высокая величина самоиз-лива косвенно подтверждает более напряженное состояние угольного пласта в данной зоне;
- заблаговременная дегазация в условиях шахты им. В.И. Ленина обеспечивает снижение показателя выбросоопасности до безопасных значений при съеме более 2 м3/т и проведении выработок по направлению одной из основных систем трещин в непосредственной близости от скважины.
Следует отметить, что реализация данного способа обеспечивает возможность изменения и свойств непосредственно угольного пласта. Это связано в первую очередь с повышением пластичности угля при увлажнении пласта после его дегазации, что широко применяется на скважинах заблаговременной дегазации на поле шахты «Казахстанская».
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баймухаметов С.К., Полчин А.И., Новиков В.Я. Результаты промышленных испытаний нового способа подготовки выбросоопасного мощного пласта д6 на шахтах Карагандинского бассейна. Горный информационно-аналитический бюл-летень.//Тематическое приложение Метан. - М.:МГГУ. 2005. - С. 191-198.
2. Сластунов С.В., Каркашадзе Г.Г. , Лупий Г.М. Влияние газоносности, горного давления и пластового давления метана на выбросоопасность угольного пласта/ ГИАБ. 2010. ОВ «Метан».
3. Фейт Г.Н., Малинникова О.Н. Геомеханика и физико-химия влияния тектонической нарушенности угольных пластов на опасность газодинамических явлений// ГИАБ. 2011. ОВ «Экология и метанобезопасность». ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Сластунов Сергей Викторович - профессор доктор технических наук, заведующий кафедрой,
Коликов Константин Сергеевич - профессор доктор технических наук, Московский государственный горный университет, [email protected] Стефлюк Ю.М., Полчин А.И. - АрселорМиттал Темиртау.
