CC BY
30
_________________________________ © В.А. Зуев, Л.М. Гусельников,
А.Н. Осипов, 2005
УДК 622.272:622.817.9:661.184.35
В.А. Зуев, Л.М. Гусельников, А.Н. Осипов
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СХЕМ ДЕГАЗАЦИИ НАДРАБАТЫВАЕМЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
уществующие в настоящее время в угольной отрасли способы дегазации высокогазоносных угольных пластов зачастую не обеспечивают необходимую по технико-эконо-мическим условиям скорость подвигания подготовительных забоев. Применяемые в ОАО "Воркутауголь" контурные и фланговые технологические схемы дегазации разработаны в основном для дегазации подрабатываемых пластов-спутников. Длина и диаметр дегазационных скважин составляют в среднем соответственно 60-120 м и 76-112 мм, начальная скорость газовыделения из скважин колеблется в диапазоне от 6 до 10 м3/мин, эффективность дегазации подрабатываемых пластов-спутников на выемочных участках достигает 80-90 %, а продолжительность работы скважин составляет в среднем 4-6 месяцев. Активный каптаж метана обычно прекращается с расстояния 400-500 м за лавой.
В настоящее время в ОАО "Воркутауголь" угольные пласты полого-наклонного залегания Четвертый, Тройной, Мощный и Пятый отрабатывают пятью шахтами. Горные работы ведут по бесцеликовой технологии при обратном порядке отработки выемочных столбов на глубине 800-1040 м.
Дегазационные скважины бурят из поддерживаемых выработок в 60-150 м за очистными забоями, на участке разгрузки пластов-спутников, т.е. в зоне, в которой обычно происходят аварии, связанные с загазированием и взрывами метана, и протяженность которой достигает 250 м от забоя. Бурение скважин в указанной зоне осуществляют в период, когда разгрузка пластов-спутников уже произошла, и часть метана, перейдя в свободное состояние, смешалась с вентиляционной струей. Нередко при бурении происходит заклинивание бурового снаряда.
Применяемые схемы дегазации надрабатываемой углепородной толщи еще недостаточно совершенны. Объем их бурения в 2-3 раза ниже по сравнению с восстающими скважинами, пробуренными в подрабатываемый массив. Начальное газовыделение из скважин не
превышает 2,3-2,8 м3/мин, составляя в среднем 0,8-1,2 м3/мин, а про-должи-тельность их работы - соответственно не более 3-4 месяцев. Скважины на отдельных участках выемочных столбов затапливаются инфильтрационными водами почвы пластов (шахта «Северная», «Воркутинская»), что снижает их дебит в среднем на 20-50 %. Отсутствие или запаздывание дегазирующего влияния нисходящих скважин в зоне разгрузки надрабатываемых пластов-спутников является нередко причиной формирования за очистным забоем на границе с выработанным пространством местных и слоевых скоплений метана. Последнее происходит, как правило, в периоды разгрузки указанных пластов-спутников.
С целью проверки возможности повышения эффективности дегазации надрабатываемых пластов-спутников с помощью нисходящих скважин [1] на шахте «Северная», «Воркутинская» ОАО "Воркутауголь" были проведены шахтные исследования. Исследования проводили при отработке пласта Четвертого лавами, подвигаемыми по падению и простиранию. В качестве критериев эффективности работы дегазационных скважин были приняты: устойчивый характер их дебита, продолжительность каптажа, а также их влияние на ликвидацию местных и слоевых скоплений метана в зоне разгрузки за очистным забоем на границе с выработанным пространством.
Породная толща, располагающаяся ниже пласта Четвертого (пц) до пласта Пятого (п7) представлена чередующимися слоями песчаника, аргиллита и алевролита. В условиях шахты «Северная» надраба-тываемые пласты-спутники пю, п9 и п7 расположены от пласта пц на расстоянии 6-6,5, 15-16 и 30-35 м соответственно. Ожидаемая относительная газообильность указанных выше надрабатываемых пластов-спутников, пласта Четвертого, а также подрабатываемых пластов-спутников (Тройного, ть т2) применительно к лаве 912-ю пласта Четвертого составляет соответственно 18, 5 и 42 м3/т.
Скважины бурили впереди опорной зоны лавы 912-ю из ниш, оформляемых заблаговременно с конвейерного бремсберга 102-ю со стороны неотработанного угольного массива. Расстояние между смежными нишами, которые подготавливали под буровой станок СБГ-1м, составляло 140-220 м. Расстояние 1р между нишами определяли из условия, согласно которому величина 1р должна быть не менее максимального шага разгрузки надрабатываемых пластов-спутников. Впереди лавы было подготовлено шесть ниш (вблизи пикетов №№ 75, 89, 106, 120, 138, 160). Из каждой ниши было пробурено от трех до
пяти нисходящих скважин, три-четыре их которых - до пласта-спутника П10, а одну-две - соответственно до пластов-спутников п9 и
п7.
Схема расположения скважин дегазации относительно границы выработанного пространства и пластов-спутников п№ п9, п7 представлена на рис. 1. Углы разворота скважин изменяли от 6 до 90о, углы подъема - от 6 до -65о, длину скважин - от 40 до 120 м. При этом скважины бурили навстречу забою лавы, параллельно забою и в направлении его подвигания. Глубина обсадки скважин составляла в среднем 10 м. Из вентиляционного магистрального штрека 112-ю в выработанное пространство по падению на нижние спутники пю, п9 были пробурены также фланговые скважины №№ 727 и 727”. Контроль за дегазационным режимом работы скважин выполняли ИТР участка ВТБ шахты с помощью шахтного интерферометра ШИ-100 и и-образного вакуумметра. Замеры выполняли ежесуточно, начиная с 50 м, и дважды в сутки с 15 м впереди забоя лавы.
Как видно из графиков рис. 2, для всех вариантов расположения скважин в зоне разгрузки за очистным забоем характерно наличие нескольких максимумов газовыделений. Волновой характер изменения дебита метана можно объяснить цикличным характером разгрузки углепородного массива в вертикальном направлении. Общим для всех вариантов является то, что газовыделение начинается впереди лавы, при этом начальный дебит метана не превышает 1,4-1,5 м3/мин. По мере приближения лавы к забою скважины (по первому варианту), к оси скважины (по второму варианту) и к ее устью (по третьему варианту) начальное газовыделение снижается до минимума, а после перехода забоем лавы соответственно забоя, оси и устья скважины газовыделение начинает возрастать до величины первого максимума.
Обработка результатов газовыделений, по дебитам скважин №№ 772, 802, 820 и 833, пробуренных параллельно забою лавы до пластов-спутников п10 и п7, позволила установить, что газовыделение из пласта-спутника П10 начинается в 20-30 м впереди лавы (рис. 2, б) и заканчивается через 3,5-5,0 месяцев работы скважин. Дебит метана имеет несколько максимумов, приуроченных к зонам разгрузки пластов-
При разработке параметров схемы дегазации участвовал зам. начальника участка ВТБ горный инженер Жуков Н.С.
ь<— I
I-!
Рис. 1. Схема расположения (а) и определения параметров заложения дегазационных скважин относительно границ выработанного пространства (б) на одном из участков выемочного столба 912ю пласта Четвертого
П
П
п
П
спутников п10, п9 и п7, при концентрации метана, изменяющейся от 100 до 45 %.
Анализ графиков показывает, что процесс развития и затухания газовыделения в зоне влияния поддерживаемой выработки наилучшим образом отражают графики рис. 2, а, в, т.е. по первому и третьему вариантам расположения скважин. Согласно показателям работы скважин, для второго и третьего вариантов характерны более высокие величины дебита и концентрации метана, а также продолжительности их каптажа по сравнению с первым вариантом. Причина невысоких показателей дегазации первого варианта (по 13 скважинам №№ 799, 801, 817 и др.) состоит в том, что скважины после перехода их устьев забоем лавы оказывались в 50 % случаев срезанными в результате влияния опорного давления и упругого восстановления пород почвы. Вышедшими из строя оказывались скважины, предназначенные для дегазации ближайшего от разрабатываемого пласта Четвертого пласта-спутника п10.
Анализ графиков рис. 2, а свидетельствуют также о том, что для первого и третьего вариантов расположения скважин максимальная интенсивность газовыделения приурочена к участку, часть которого длинной до 30 м примыкает к очистному забою со стороны зоны опорного давления, а другая его часть 1р длиной до 120-130 м примы-
Продолжительность каптажа, мес. Расстояние от забоя скважины до лавы, м
Продолжительность каптажа,
Расстояние о
и скважины до лавы, м
Расстояние от устья скважины до лавы, м
0 1 2 3 4 5 R
• - дебит скважин ■ - концентрация метана
Рис. 2. Изменение дебита и концентрации метана по скважинам, пробуренным навстречу (а, да пласта-спутника п10), параллельно забою (б, до пласта-спутника п7), в направлении его подвигания (в, до пласта-спутника п9) и зависимость между количеством случаев повышенной концентрации метана и расстоянием между скважинами, выраженным в радиусах влияния их вакуума (г)
N
кает к забою со стороны выработанного пространства и является активной частью зоны разгрузки надрабатываемых пластов-спутников П10, п9, и п7. Последующий участок, характеризующийся уплотнением пород в выработанном пространстве и затуханием процесса газовыде-ления, прослеживается до 350-450 м за очистным забоем.
Заложение встречных забою скважин при пересечении их стволами пласта-спутника п10 в точках, разделяющих границу выработанного пространства лавы 912-ю на отрезки, равные двукратному радиусу влияния 2R вакуума скважин, позволило создать условия для предотвращения образования местных и слоевых скоплений метана.
Как показал анализ, повышенная концентрация метана до 1,5-1,7 и более процентов на границе с выработанным пространством за очистным забоем до проведения шахтных исследований проявлялась практически постоянно. После того, как забой лавы вошел в зону влияния экспериментальных сква-жин, количество случаев повышенной концентрации метана за очистным забоем на границе с выработанным пространством стало снижаться. За период наблюдений зафиксировано 173 случая повышенной концентрации метана, причем
по месяцам с января по сентябрь они проявлялись в следующей последовательности: 73, 55, 0, 0, 15, 8, 0, 10, 6. Случаи появления повышенной концентрации метана стали отмечаться от забоя на расстоянии не ближе 75 м по сравнению с "базовым", равным 30 м, до проведения испытаний. Проявление таких случаев обуславливалось, по видимому, ослабевающим на отдельных участках или участке влиянием вакуума взаимодействующих (пересекающихся) скважин вследствие неоправданно завышенного расстояния между их устьями. В марте, апреле и августе отсутствие случаев повышенной концентрации метана объясняется тем, что нижнее сопряжение лавы, как по падению, так и по простиранию постоянно находилось в зоне влияния вакуума дегазационных скважин. В этот период работало от 4 до 7 скважин, расстояние между которыми вдоль границы выработанного пространства изменялось на участке подвигания от 15 до 27 м, а в мае, июне, июле, т.е. за участком подвигания - от 20 до 53 м.
На рис. 2, г показан график зависимости между количеством случаев повышенной концентрации метана и расстоянием между скважинами вдоль границы выработанного пространства, выраженного в радиусах влияния вакуума скважин. Под радиусом R понимается минимальное расстояние, определяемое опытным путем, при котором на границе с выработанным пространством существенно сказывается влияние вакуума скважин. Как видно из графика рис. 2, г, с уменьшением расстояния между скважинами с 5 до 3 радиусов R влияния их вакуума количество случаев повышенной концентрации метана N сокращается в 4-5 раз. При дальнейшем сокращении расстояния между скважинами до 2-1 R количество случаев N стремится к минимальному их уровню.
Веерообразное расположение встречных забою нисходящих дегазационных скважин способствует существенному отсосу и снижению концентрации метана и под зоной подрывки поддерживаемой выработки. Последняя характеризуется резким увеличением высоты и соответственно площади поперечного сечения по сравнению с этими же параметрами в смежной зоне, со стороны забоя. Повышенная площадь поперечного сечения в зоне подрывки поддерживаемой выработки снижает динамическое давление воздуха в ней, что усиливает приток метана в эту зону из зоны разгрузки, согласно эффекту выравнивания динамического давления воздуха между зоной подрывки и примыкающей к ней со стороны забоя смежной зоны.
Таким образом, наиболее технологичным и результативным вариантом расположения нисходящих скважин является комплексный, при котором часть скважин ориентирована навстречу лаве, а другая часть параллельно забою, а также в направлении его подвигания.
Расчеты показывают, что по условию равномерности распределения вакуума дегазационных скважин между смежными нишами вдоль границы выработанного пространства расстояние между смежными нишами должно быть не более 90-100 м, а общая длина четырех-пяти скважин, закладываемых из ниши, должна составлять в условиях шахты "Северная" 260-410 м. Данная схема позволяет исключить отрицательное влияние фактора отставания буровых работ от очистного забоя.
Согласно статистическому анализу, количество скважин, которые были пробурены в подрабатываемую и надрабатываемую толщу, по мере подвигания лавы 912-ю ежемесячно увеличивалось. Так, в течение года количество ежемесячно действующих скважин возросло с 14 до 23, из них - с 3 до 6 - в надрабатываемую толщу.
Дебит метана, каптируемого нисходящими скважинами, увеличился с 2,1 до 4,9 м3/мин. Дополнительное его увеличение за счет нисходящих скважин на участке длиной 150-160 м, примыкающего к очистному забою со стороны выработанного пространства, изменялось в диапазоне от 1,4 до 3,6 м3/мин.
Величина ежемесячного дополнительного дебита, каптируемого нисходящими скважинами, каждый раз свидетельствовало о том, на какую величину становился меньше дебит метана, приходящийся на вентиляцию на выемочном участке. С учетом изложенного, эффективность снижения газообильности выемочного участка за счет дегазации в зоне разгрузки надрабатываемой толщи определится из выражения Кэф. = J^J где JÆh. и Jj, - соответственно дополнительный дебит метана из надрабатываемой толщи, каптируемый в зоне разгрузки, и дебит метана, приходящийся на вентиляцию, м3/мин.
Согласно расчетам, эффективность снижения газобильности лавы 912-ю в течение года за счет дополнительного извлечения метана из надрабатываемой толщи увеличилась с 15,4 до 33,8 % в месяц. Продуктивность работы скважин, под которой понимается дополнительный дебит метана, каптируемый скважинами, может также существенно изменяться и зависеть от многих факторов. Однако, при прочих равных условиях при продолжительности работы скважин до 12 месяцев (на примере скважины №771, пробуренной навстречу лаве 912-
ю) продуктивность работы скважин повышается на 25-30 %, а при работе скважин сразу за очистным забоем на участке подвигания, соответствующему, по крайней мере, длине активной части зоны разгрузки надрабатываемой толщи, достигает 100 % (рис. 2).
Инструментальные замеры показали, что дебит метана приходящийся на дегазацию выемочного участка в течение года уве-личился с 28,6 до 40,9 м3/мин, а на вентиляцию - соответственно с 7,4 до 15,3 м3/мин. При этом Кдег. по участку увеличился с 0,71 до 0,82.
Таким образом, проверка в шахтных условиях комплексной схемы дегазации надрабатываемых пластов-спутников выявила возможность ее применения в сходных горно-геологических условиях, в т.ч. в ситуациях, связанных с парной подготовкой выемочных столбов. В последнем случае бурение скважин представляется целесообразным непосредственно из сбоечных печей, пройденных на расстоянии друг от друга 60-90 м. Применение встречных забою нисходящих скважин, наряду с параллельными забою и в направлении его подвигания скважин позволит повысить в 1,2-1,35 раза продуктивность их работы и до 30-50 % степень дегазации надрабатываемой толщи, не превышающей в настоящее время 10-15 %. Скважины должны быть относительно забоя лавы встречными и перекрывать друг друга на стыках участков между нишами (сбоечными печами) на величину радиуса влияния вакуума скважин.
------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Патент №2086773, МКИ Е 21 F 7/00 Способ дегазации надрабатываемого пласта-спутника/ Гусельников Л.М., Зуев В.А., Осипов А.Н., Белозеров В.А., Жуков Н.С., Лосев Н.С./ Бюл. №22, 10.08.97.
— Коротко об авторах ------------------------------------------------
Зуев В.А. - кандидат технических наук, филиал СПГГИ (ТУ) «Воркутин-ский горный институт»,
Гусельников Л.М. - горный инженер, институт «Печорниипроект»,
Осипов А.Н. - горный инженер, Печорское межрегиональное управление по технологическому и экологическому надзору.
