CC BY
0РОЗРОБКА КОРИСНИХ КОПАЛИН
УДК 622.817.47
Крыжановский Ю. Ю.
(ПАО «Краснодонуголь»), д.т.н., проф. Антощенко Н. И., к.т.н. Филатьев М. В., Гасюк Р. Л.
(ДонГТУ, г. Алчевск, Украина)
СООТНОШЕНИЕ МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЯ В ВЫРАБОТКИ И ДЕГАЗАЦИОННЫЕ СКВАЖИНЫ ПРИ ОТРАБОТКЕ ГАЗОНОСНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
Теоретические и экспериментальные исследования соотношения метановыделения в горные выработки и дегазационные скважины. Уточнены научные положения теоретической модели, установлены новые закономерности влияния развития очистных работ и изменения добычи угля.
Ключевые слова: дегазация, метановыделение, выемочный участок, дегазационные скважины, горные выработки, земная поверхность.
Применение дегазации подрабатываемых источников с целью обеспечения безопасных условий отработки угольных пластов и использование газа в энергохозяйстве впервые было осуществлено в Рурском бассейне в сороковых годах прошлого столетия [1]. В Донбассе промышленное внедрение дегазации осуществили в начале пятидесятых годов [2]. С тех пор прошло более пятидесяти лет, но до настоящего времени отсутствует теоретическое обоснование снижения уровня метановыделения в горные выработки от эффективности дегазации подрабатываемого массива скважинами.
На основании непосредственных шахтных наблюдений установлено, что увеличение количества отводимого метана дегазационными скважинами не пропорционально снижению его выделения в горные выработки [3]. Это дало основание при расчёте дегазационных систем ввести поправочный коэффициент на возможное увеличение количества каптируемого метана, который не выделяется в горные выработки при отсутствии дегазационных скважин [4]. Изучение соотношения мета-новыделения в горные выработки и дегазационные скважины имеет актуальное значение для науки и практики, так как от решения рассматриваемых вопросов зависит безопасность ведения горных работ и
материальные затраты на проведение дегазации.
Целью исследований является разработка общей теоретической модели соотношения между метановыделением в горные выработки и дегазационные скважины, и проверка соответствия её научных положений экспериментальным данным.
Для достижения поставленной цели рассмотрели (рис. 1) возможные варианты соотношения между метановыделением в выработки и скважины согласно представлениям [3, 4]. Основным положением этих работ является сокращение выделения метана в горные выработки при увеличении количества газа, отводимого скважинами. Если метановыделение в выработки (1в) снижается прямопропорционально его увеличению в скважины (1д), то зависимости 1в = / (1д) будет соответствовать прямая 1,
расположенная под углом 45 к горизонтальной линии. Она описывается уравнением:
Т1 — rmax т1 Th
— ~ I?, +
(1)
Это уравнение получено на основании
" Т1 r max Ti
равенства значении Гд и 1в - 1в, постоянства суммы ll и I'e - IB , а также выполне-
ттах imax тн
ния условия 1д — 1в - 1в .
РОЗРОБКА КОРИСНИХ КОПАЛИН
!тах — максимальное количество метана, отводимое скважинами из подрабатываемой толщи пород и сближенных пластов при 100% их эффективности и прямопропорциональном снижении газовыделения в горные выработки; — максимальное газовыделение в выработки при отсутствии дегазации
подрабатываемых пород и сближенных пластов (^ = 0); ^ — газовыделение в выработки выемочного
участка из других недегазируемых источников (отбитый уголь, обнажённая плоскость пласта, надрабатываемые пласты и т.д.); IB"m — минимальное газовыделение в выработки выемочного участка при 100% эффективности дегазационных скважин; 1, 2, 3, i — прямые, характеризующие соотношение между количеством метана, отводимого дегазационными скважинами и его снижением в горные выработки соответственно в пропорциях 1:1, 2:1, 3:1, /:1; п — прямая, соответствующая уровню метановыделения в выработки из подрабатываемых источников, не имеющих гидравлической связи с
дегазационными скважинами ^^ = ^; I'в — уровень метановыделения в выработки, который обеспечивается с помощью дегазации в разных горно-геологических и горнотехнических условиях при каптаже соответствующего (I1,, II, II и II) количества метана; а1 — угол наклона 1-й прямой к
горизонтали
Рисунок 1 — Зависимость метановыделения в горные выработки выемочного участка (^ ) от количества газа, отводимого дегазационной системой из подрабатываемого массива (^ ), согласно современным научным представлениям [3, 4]
Зависимость (1) должна быть характерной для дегазации скважинами подработанных пород и сближенных угольных пластов, расположенных в кровле разрабатываемого на расстоянии примерно около десяти его мощностей в зоне высокой эксплуатационной трещиноватости. По аналогичным причинам уравнение (1) будет соответствовать всем способам изолированного отвода метана из выработанного пространства с помощью газоотсасывающих установок или за счёт общешахтной де-
прессии. Это объясняется хорошей гидравлической связью непосредственно источника метановыделения как с дегазационной системой, так и с горными выработками.
При расположении в кровле разрабатываемого пласта источников метановыделе-ния вне зоны беспорядочного обрушения пород эксплуатационные трещины служат основными каналами поступления метана в выработанное пространство выемочных участков. Дегазационные скважины, пробуренные до указанных источников, соз-
Розробка корисних копалин
дают дополнительные пути для транспортировки десорбируемого метана и обеспечивают более полную дегазацию удалённых угольных пластов. По мере увеличения межпластовой породной толщи роль эксплуатационных трещин в движении метана через вмещающие породы и в степени дегазации подработанных источников уменьшается, а роль дегазационных скважин увеличивается. По этой причине при дегазации удалённых смежных пластов скважины являются практически единственными каналами поступления метана в дегазационную систему, что приводит к дополнительному каптажу газа в подобных условиях и суммарный расход метана на выемочном участке в этих условиях выше, чем могло бы выделиться без бурения дегазационных скважин [5]. Предельным вариантом такой ситуации является прямая п, перпендикулярная оси ординат (рис. 1). В этом случае любое изменение количества каптируемого метана не оказывает влияния на уровень газовыделения в выработки.
Зависимость снижения метановыделе-ния в выработки при дегазации удалённых источников в разных горно-геологических и горнотехнических условиях можно представить прямыми 2, 3... i (рис. 1). Эти прямые характеризуют соотношение между количеством метана, отводимого скважинами и его снижением в выработки соответственно в пропорциях 2:1, 3:1, к1. Целые значения пропорций приняты условно для наглядности иллюстрации графика. В общем случае, исходя из предложенной схемы, зависимость метановыде-
ления в горные выработки (1гв ) от количества каптируемого газа из дегазируемых
источников (1д ) можно описать прямолинейной зависимостью:
1в = (' • Сах - 1д + II,
(2)
где г — коэффициент, равный отношению количества каптируемого газа к его
снижению в горных выработках; tgai — тангенс угла наклона прямой к горизонтали, соответствующий значению коэффициента
Исходя из принятых положений 2-я, 3-я и i-я зависимости (рис. 1) могут быть не только прямолинейными, но и криволинейными. Единственными условием для таких зависимостей должно быть уменьшение газовыделения в выработки при увеличении количества каптируемого скважинами метана. В качестве примера приведены кривые 27 и 2" (рис. 1).
Для проверки соответствия научных положений разработанной модели экспериментальным данным произвели обработку результатов среднемесячных наблюдений в условиях шахт им. газеты «Известия» ГП «Донбассантрацит» и «Суходольская-Восточная» ПАО «Краснодонуголь». Шахтами производилась отработка соответст-
Iе
венно антрацитового пласта «2 с вынимаемой мощностью 0,90 м и пласта 4, содержащего угли марок К и Ж с вынимаемой мощностью в разных блоках шахтного поля 1,20 и 2,00-2,20 м.
Шахтой им. газеты «Известия» было отработано одиннадцать выемочных участков с осуществлением дегазации подрабатываемых источников скважинами, пробуренными из горных выработок. Горногеологические и горнотехнические условия выемочных участков существенно отличались между собой. Они заключались в разной газоносности пластов, степени развития очистных работ в крыле шахтного поля, бурении в пределах одного выемочного участка разных групп скважин. Эти группы скважин отличались расположением их по отношению к разрезным печам и очистным забоям, способом охраны от разрушения, видом вентиляционных струй воздуха (свежая, исходящая) и прочими факторами.
Дегазация скважинами, пробуренными из горных выработок, применялись на всех
РОЗРОБКА КОРИСНИХ КОПАЛИН
выемочных участка шахты «Суходоль-ская-Восточная». Условия их эксплуатации, исходя из влияющих факторов (расположение, охрана, вид вентиляционной струи), были однотипными. В большинстве случаев дополнительно бурились скважины с земной поверхности.
Статистическая обработки экспериментальных данных показала практическое отсутствие корреляционной связи между
газовыделением в горные выработки (^ )
и скважины (Iд ) на пяти выемочных участках шахты им. газеты «Известия». Коэффициенты корреляции (г) находились в диапазоне -0,30^0,26. В остальных случаях получена тесная прямопропорциональная
зависимость между ^ и Iд (г = 0,55^0,92). Разница полученных экспериментальных данных (рис. 2) объясняется, очевидно, разными условиями эксплуатации дегазационных скважин. На участке 2-й бис западной лавы дегазация осуществлялась скважинами, пробуренными над разрезной печью (монтажной камерой) и они находились под защитой угольного целика. Такие условия обеспечивали непосредственную гидравлическую связь скважин с источниками газовыделения и практически исключали выделение метана в горные выработки при развитии очистных работ. Прямая 1 почти перпендикулярна оси ординат, что указывает на выделение метана в горные выработки из недегазируемых источников (отбитый уголь, обнажённые поверхности разрабатываемого пласта и т.п.) практически в постоянных количествах (около 2,5 м3/мин). Метановыделение в скважины достигало 18,4 м3/мин. Такое соотношение произошло из-за незначительной длины выемочного столба 2-й бис западной лавы (264 м), что не могло способствовать полному развитию процессов сдвижения подработанных пород. В результате этого эксплуатационные трещины не достигли дегазируемых источников и как следствие это привело к отсутствию их
гидравлической связи с горными выработками.
При отработке 9-й западной лавы скважины были пробурены из участковых выработок, которые охранялись кострами. Учитывая высокую эксплуатационную трещиноватость подрабатываемых пород вблизи разрабатываемого пласта, при увеличении или уменьшении метановыделения из подрабатываемых источников, происходило соответствующее его изменение как в горные выработки, так и в дегазационные скважины. Практически во всех случаях отработки выемочных участков в крыле шахтного поля характер экспериментально установленного изменения метановыделе-ния в горные выработки под влиянием дегазации подрабатываемых источников не соответствовал теоретическим зависимостям (рис. 1).
Однозначно не установлено соответствие теоретической модели экспериментальным данным и в условиях шахты «Су-ходольская-Восточная». Одновременное увеличение газовыделения в горные выработки и скважины наблюдалось на четырёх выемочных участках. На двух участках происходило сокращение метановыделения в горные выработки при увеличении каптируемого метана скважинами (рис. 3). В одном случае (12-я восточная разгрузочная лава) наблюдалась некоторая зависимость (r = 0,52), но снижение метановыделения в выработки нельзя связывать только с увеличением количества каптируемого газа. Лава дорабатывалась и, по этой причине, происходило снижение среднесуточной нагрузки (А) на очистной забой. Это вызвало снижение газовыделения в большей степени в выработки ( 1в ) и практически не влияло на метановыделение в скважины ( Ig ). Исходя из приведенных данных следует, что сокращение метановыделения в выработки в значительной мере было обусловлено снижением добычи угля, а не усилением дегазации.
РОЗРОБКА КОРИСНИХ КОПАЛИН
м 3/мин
а)
1 -1, = -0,0344 • 2>9 г =-0,30
1
♦♦♦ «
б)
10
/(,„и /мин
M /мин 10
1-1,- 1,99/^ + 2,25 г = 0,82 ♦ ■f.
1 ♦
« »
0 12 3 1а,м7мин
1 — осредняющие прямые; Ф — экспериментальные данные Рисунок 2 — Пример зависимости метановыделения в выработки ( 1в ) от метановыделения в
дегазационные скважины ( Ig ) на выемочных участках 2-й бис (а) и 9-й (б) западных лав шахты
им. газеты «Известия»
На участке 12-й бис восточной лавы было зафиксировано снижение Ie при увеличении Ig (r = 0,47) и стабильной добыче угля, что в некоторой степени соответствует теоретической модели (рис. 1).
Несоответствие в большинстве случаев фактического изменения метановыделения в горные выработки положениям теоретической модели (рис. 1) свидетельствует о том, что при её разработке учтены не все факторы, определяющие уровень метано-выделения в выработки и скважины. Экс-
периментально было установлено, что соотношение темпов роста метановыделения в скважины и выработки связано со степенью развития очистных работ, способом охраны скважин от разрушения и интенсивностью отработки выемочного участка [6]. Влияние этих факторов не учитывается рассматриваемой моделью, что очевидно и привело к существенному несоответствию между теоретическими зависимостями и экспериментальными данными. В начальный период эксплуатации выемочного участка метановыделение в выработки происходит из недегазируемых источников
РОЗРОБКА КОРИСНИХ КОПАЛИН
(отбитый уголь, обнажённые поверхности разрабатываемого пласта и т.п.) и значительное его увеличение не происходит. Газовыделение в скважины начинается при некотором удалении очистного забоя от разрезной печи. После этого происходит увеличение газовыделения в скважины и горные выработки. В зависимости от горногеологических и горнотехнических условий наблюдалось разное соотношение метано-
выделения в скважины и горные выработки [6]. В некоторых случаях установлены более высокие темпы роста газовыделения в скважины, что свидетельствует о их непосредственной связи с расслоившимися по напластованию подработанными породами, откуда газ в этот период практически не поступает в выработки. В некотором роде для таких условий происходит предварительная дегазация подрабатываемых источников [7].
15
ю
* X 1-1=15,95-0,361 г=0,47; 2-1=9,83-0,491ъ г=0,5 2.
X *Х 2 Хх
ч V. XX ♦ ♦ 4 ^ X х X 2 ф- * \г
♦♦♦ V. Ч
10
15
20 /Й,М /МИН
♦, X — экспериментальные данные; 1, 2 — прямые зависимости 1в от 1д соответственно для 12-й бис восточной и 12-й восточной разгрузочной лав
Рисунок 3 — Зависимость метановыделения в выработки (1в ) от метановыделения в дегазационные скважины (1д) на выемочных участках шахты «Суходольская-Восточная
Для разработки теоретической модели
зависимости 1в = f (^ ) , соответствующей конкретным горно-геологическим и горнотехническим условиям, как показывает производственный опыт, необходимо установить влияющие факторы на изменение уровня метановыделения как в горные выработки (Тв ), так и в дегазационные скважины (^ ). Одновременное увеличение или
уменьшение
Т
и Iд ещё не свидетельст-
вует об их взаимной зависимости. Это указывает только на определённое соотношение уровня 1в и 1д при изменении влияющих факторов. В одних горногеологических и горнотехнических условиях такими факторами могут быть нагрузка на очистной забой и степень развития очистных работ на выемочном участке и в крыле шахтного поля. Эти два фактора зависимы между собой в начальный период эксплуатации выемочного участка. При удалении очистного забоя от разрезной печи происхо-
РОЗРОБКА КОРИСНИХ КОПАЛИН
дит развитие процессов сдвижения подработанных пород и одновременное увеличение добычи угля до плановых показателей. Влияние этих двух факторов определяет 1в и и на последующих стадиях отработки
выемочного участка. Это подтверждается экспериментальными данными в условиях отработки 25-западной лавы шахты «Сухо-дольская-Восточная» (рис. 4).
1 - 690, 2 - 977, 3 - 1435, 4 - 1410, 5 -1445 — порядковый номер месяца работы лавы ( август, сентябрь, октябрь, ноябрь, декабрь 2012 года) при удалении очистного забоя от разрезной печи и соответствующая ему среднесуточная добыча, т; 6 — осредняющая кривая; R — корреляционное отношение; Н — экспериментальные данные при эксплуатации только скважин, пробуренных из подземных выработок; # — экспериментальные данные при совместной эксплуатации скважин, пробуренных из подземных выработок и
земной поверхности
Рисунок 4 - Зависимость метановыделения в выработки (1в ) от метановыделения в дегазационные скважины () на выемочном участке 25-й западной лавы шахты «Суходольская-Восточная»
При удалении очистного забоя от разрезной печи происходило как развитие процессов сдвижения подработанных пород, так и увеличение добычи угля. Это вызвало параллельное увеличение метановы-деления в выработки и скважины. Рост газовыделения в выработки практически прекратился при удалении очистного забоя от разрезной печи на 152 м и достижении среднесуточной добычи 1435 т. Среднее метановыделение в выработки составляло 15,1 м3/мин.
Газовыделение в скважины, пробуренные с поверхности, началось после пяти месяцев эксплуатации выемочного участка, но это не повлияло на уровень газовыделения в горные выработки в дальнейшем. В этот период среднесуточная добыча угля находилась в диапазоне 1386^1630 т, а
среднее метановыделение в выработки осталось на прежнем уровне 15,3 м /мин.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили уточнить научные положения теоретической модели и выявить новые закономерности дегазации подрабатываемых источников. Выводы по результатам проведенной работы сводятся к следующему:
- направленность и теснота корреляционной зависимости между метановыделе-нием в горные выработки и дегазационные скважины определяется степенью развития очистных работ, интенсивностью добычи угля и связанными с ними процессами сдвижения подработанных пород. Необходимым условием снижения метановыделе-ния в выработки под влиянием усиления дегазации является наличие гидравличе-
ISSN 2077-1738. Збгрник наукових праць ДонДТУ. 2014. № 1 (42) РОЗРОБКА КОРИСНИХ КОПАЛИН
ской связи источников газовыделения как с выработками, так и скважинами;
- одновременное увеличение метановы-деления в горные выработки и скважины ещё не свидетельствует об неэффективной дегазации, а указывает на одновременный рост газовыделения при изменении влияющих факторов;
- в отдельные периоды эксплуатации выемочных участков дегазационными скважинами, пробуренными из подземных выработок, отводился метан из источников, гидравлически не связанных с горными выработками;
- примерно постоянный уровень газовыделения в выработки свидетельствует как о высокой эффективности дегазационных скважин, так и каптирования газа из источников, не имеющих гидравлической связи с выработками;
- экспериментально установлено, что в нескольких случаях скважины, пробуренные с земной поверхности, на протяжении всего срока отработки выемочного участка каптировали газ из источников, гидравлически не связанных с горными выработками.
Библиографический список
1. Кегель К. Внезапные выбросы и дренирование газа при подземных разработках / К. Кегель; [пер. с нем.] — М.: Углетехиздат, 1956. — 51 с.
2. Печук И. М. Дегазация спутников угольных пластов скважинами / И. М. Печук. — М. : Углетехиздат, 1956. — 210 с.
3. Касимов О. И. Зависимость газовыделения из подработанных угольных пластов от режима их дегазации / О. И. Касимов, Н. И. Антощенко //ИГД им. А. А. Скочинского. Научные сообщения. — М., 1979. — Вып. 183. — С. 31-35.
4. Дегазация угольных шахт. Требования к способам и схемы дегазации. СОУ10.1.00174088.001 -2004. — Минтопливэнерго Украины. — Киев. — 2005. — 161 с.
5. Исследование закономерностей дегазации разрабатываемых, подрабатываемых и надраба-тываемыхугольных пластов /Г.Д. Лидин, А.Т. Айруни, Ю.Н. Бессонов, Н.С. Смирнов. — Научный доклад. АН СССР, Институт физики Земли им. О. Ю. Шмидта. — М., 1969. — 84 с.
6. Антощенко Н. И. Особенности газовыделения при удалении очистного забоя от разрезной печи / Н. И. Антощенко, С. Л. Сятковский, В. Д. Шепелевич // Уголь Украины. — 2006. — №10. — С. 28-31.
7. Драбик А. С. Газопроявления при посадках кровли / А. С. Драбик, Н. И. Антощенко // Безопасность труда в промышленности. — 1986. — № 3. — С. 7-9.
Рекомендована к печати д.т.н., проф. ДонГТУ Окалеловым В. Н.,
д.т.н., проф. МакНИИКоптиковым В. П.
Статья поступила в редакцию 07.03.14.
Крижановський Ю. Ю. (ПАТ «Краснодонвугтля»), д.т.н., проф. Антощенко М. I., к.т.н. Фша-тьев М. В., Гасюк Р. Л. (ДонДТУ, м. Алчевськ, Украгна)
СП1ВВ1ДНОШЕННЯ МЕТАНОВИД1ЛЕННЯ У ВИРОБКИ I ДЕГАЗАЦ1ЙН1 СВЕРДЛОВИНИ ПРИ В1ДПРАЦЮВАНН1 ГАЗОНОСНИХ ВУГЫЬНИХ ПЛАСТ1В
Теоретичш та експериментальш до^дження стввгдношення метановид1лення в ггрничг ви-робки / дегазацтт свердловини. Уточнено науков1 положення теоретичног модел1, встановлем нов1 законом1рност1 впливу розвитку очисних роб1т 7 зм1ни видобутку вугшля.
Ключовi слова: дегазащя, метановидыення, вигмкова дыьниця, дегазацтт свердловини, г1р-нич1 виробки, земна поверхня.
_ISSN 2077-1738. SöipnuK HayKOBUx npa^ ffonffTY. 2014. № 1 (42)_
_PQ3PQEKA KOPHCHHX KQnAflHH_
Kryzhanovskiy Yu. Yu. (private corporation «Krasnodonygol»), Antoschenko N. I. Doctor of Engineering Sciences, Filatjev M. V. Candidate of Engineering Sciences, Gasyuk P. L. (DonSTU, Alchevsk, Ukraine)
METHANE DISENGAGEMENT CORRELATION IN WORKING AND DEGASSING WELLS WHEN REFINING BEARING COALS SEAMS
Theoretical and experimental studies methane disengagement correlation in the mine workings and degassing wells. Scientific positions of the theoretical model are adjusted, new patterns of the development influence of clean-up operations and changes in coal mining are set.
Key words: degassing, methane disengagement, excavation area, degassing wells, mine workings, earth's surface.
