CC BY
51
------ф
'S'------
---------------------------- © В.С. Забурдяев, Г.С. Забурдяев,
2006
УДК 622.817.47
В.С. Забурдяев, Г.С. Забурдяев
СПОСОБЫ И ПАРАМЕТРЫ ПОДЗЕМНОЙ ДЕГАЗАЦИИ И УВЛАЖНЕНИЯ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ НА ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКАХ*
За последние годы модернизированы и технически перевооружены очистные забои на действующих шахтах России, прежде всего на шахтах Кузбасса и Воркуты, где работают наиболее высокопроизводительные очистные забои и газовый фактор существенно ограничивает возможности угледобывающей техники. В связи с этим применительно к условиям действующих шахт России собраны и обобщены материалы о работе угольных шахт и высокопроизводительных очистных участков, оборудованных отечественной и зарубежной угледобывающей техникой, и о потенциальных ее возможностях. Итоговые показатели динамики среднесуточной добычи угля из очистного забоя по России сведены в табл. 1, из которой видны относительно низкие нагрузки на лавы в сравнении с достигнутыми в мире.
Актуальность работы обусловлена еще и тем, что с углублением горных работ уменьшается проницаемость угольных пластов и, следовательно, их газоотдача в дегазационные скважины и степень увлажнения угольного массива. Так, за последние 15-20 лет эффективность предварительной дегазации разрабатываемых угольных пластов параллельноодиночными скважинами при устаревшей буровой технике
*Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (Проект № 05-05-65062)
снизилась с 20-25% до 10-15%. В результате практически весь газ из отрабатываемого пласта угля выделяется в призабойное пространство очистной или подготовительной выработки, усугубляя газовую ситуацию на добычных участках и в тупиковых выработках.
Таблица 1
Динамика среднесуточной добычи угля из очистного забоя на шахтах РФ
Годы Среднесуточная добыча угля из очистного забоя, т/сут
средняя с механизированной крепью (на пластах с углом падения до 35 град.)
1985 490 787
1988 545 867
1990 544 850
1992 496 752
1993 485 719
1994 513 726
1995 591 793
1996 675 909
1997 741 958
1998 810 1018
1999 927 1148
2000 1067 1321
2001 1223 1494
2002 1293 1620
2003 1355 1759
2004 1599 2238
Газовый фактор лимитирует производительность комбайнов в очистных и подготовительных забоях, что существенно влияет на рентабельность метанообильных угольных шахт.
Целью работы является научное обоснование параметров и технологических решений по комплексной технологии дегазации и увлажнения угольных пластов на высокопроизводительных выемочных участках, а основной задачей- выбор технико-технологических решений и определение параметров дегазации и увлажнения угольных пластов с учетом тенденций развития технологий, направленных на снижение
объемов выделения метана и угольной пыли в очистных забоях.
Поиск технико-технологических решений производился по патентной информации основных стран, ведущих разработку газоносных угольных месторождений. Из анализа патентной литературы вытекает, что технические решения по совместному применению на выемочных участках дегазации и увлажнения угольного массива базируются на геометрическом расположении дегазационных скважин относительно очистного забоя, использовании пластовых дегазационных скважин для последующего после дегазации увлажнения угольного массива и на различных способах предварительного воздействия на пласты угля гидравлической средой с целью повышения их проницаемости, газоотдачи в скважины и степени увлажнения массива.
Основные выводы из анализа научно-технической литературы по подземной дегазации разрабатываемых пластов и их увлажнению состоят в следующем:
- вопросы дегазации и увлажнения угольных пластов весьма актуальны во всех странах, где добыча угля ведется интенсивно и на глубоких горизонтах;
- опыт промышленной дегазации не разгруженных от горного давления угольных пластов с низкой газопроницаемостью и газоотдачей в России свидетельствует о низкой эффективности традиционно применяемых способов и устаревших средств пластовой дегазации, величина которой в лавах длиной более 180 м составляет 10-15 %, что явно недостаточно на очистных участках с суточной добычей угля до 1000 т, не говоря уже о более высоких нагрузках на лавы;
- предложены и опробованы на практике технические решения для повышения эффективности пластовой дегазации путем бурения перекрещивающихся скважин, эффективность которых достигает 30-35 %;
- более высокая эффективность дегазации разрабатываемых пластов с использованием перекрещивающихся скважин может быть обеспечена при предварительном гидродинамическом воздействии на массив угля через пластовую скважину в импульсном режиме. Эффективность дегазации пласта в этом случае может быть доведена до 40-50 %.
Однако средства импульсного воздействия на угольный массив через подземную скважину серийно не выпускаются: экспериментальные образцы газогенератора импульсов высокого давления испытаны на стенде, имитирующем пластовую скважину, но они требуют доработки;
- нормативные документы по дегазации разрабатываемых пластов через скважины (Руководство по дегазации угольных шахт, 1990 г.) и их увлажнению (Инструкции по борьбе с пылью и пылевзрывозащите к Правилам безопасности в угольных шахтах, 1997 г.) предусматривают использование дегазационных скважин для увлажнения угольного массива, но параметры комплексной технологии дегазации и увлажнения пластов не обоснованы;
- фактические данные об эффективности дегазации и увлажнения угольных пластов с применением традиционных мероприятий по борьбе с газом и пылью свидетельствуют о низкой их эффективности.
Актуальность новых решений по способам и параметрам, интенсифицирующим как процессы дегазации [1-7], так и процессы предварительной пропитки угольных массивов [810] еще более очевидна на выемочных участках с высокой производительностью угледобывающей техники в глубоких шахтах, где с ростом глубины увеличивается метаноносность пластов угля [7]. Тем более, что потенциальные возможности роста глубины разработки угольных месторождений в России и особенно в Кузбассе еще достаточно велики. Поэтому уже в ближайшее время проблема снижения метанообильности очистных участков может стать определяющей в процессе добычи угля в газообильных шахтах. Предпосылкой этому является динамика удельного веса метанообильных шахт за последние 35 лет. В Российской Федерации этот показатель за
5 лет вырос с 66 до 75 %.
Для расчета параметров пластовой дегазации необходимо знать показатели газоотдачи угольного массива в скважины, т.е. величину начального удельного метановыделения и скорость его снижения во времени [7]. С этой целью нами исследована газоотдача угольных пластов Кузнецкого, Печорского, Карагандинского и Донецкого угольных бассейнов, изучены процессы метановыделения в подготовительные выра-
ботки и дегазационные скважины на глубинах 285-965 м от дневной поверхности. Так, например, в течение последних лет проведены исследования в 16 тупиковых забоях, проводимых на 12 угольных пластах Кузбасса, мощность которых составляла 1,5-9,2 м. После обработки исходных данных получены зависимости, описывающие изменение обратной величины удельного метановыделения 1/G от времени t, а затем и G = f(t). Отмечены существенные отличия угольных пластов по параметрам газоотдачи.
Экспериментально определенная в конкретных условиях зависимость
1/G = К + b, (1)
позволяет установить показатель К, характеризующий газоносный массив угля по темпу снижения метановыделения (К-фактор), и величину начального метановыделения
G0 = 1/b. (2)
Поскольку процесс истечения метана из пласта в подготовительную выработку можно описывать зависимостью
G = G0/(At+1), (3)
то при экспериментально установленных значениях К и
G0 величина коэффициента А рассчитывается по формуле
A = К G0 . (4)
Аналогично формуле (3) метановыделение из пласта в дегазационную скважину протекает по зависимости g = g0 /(at+1). (5)
В формулах (1-5):
G0 и g0 - интенсивность начального метановыделения соответственно в подготовительную выработку и скважину, м3/(м2сут);
А и a - коэффициенты снижения метановыделения во времени t (сутки) в выработку и скважину соответственно, сут-1.
Качественное сходство процессов истечения метана из угольного пласта в подготовительные выработки и дегазационные скважины позволяет использовать показатели газоот-дачи пласта, установленные при проходке выработки, для расчета параметров дегазации пласта скважинами. Поэтому,
имея результаты газовоздушной съемки в тупиковой выработке, интенсивность начального метановыделения из пласта в дегазационные скважины можно определять по формуле
где б - диаметр скважины, м; т - мощность пласта, м.
Характерной особенностью изменения интенсивности начального метановыделения от метаноносности и темпа его снижения во времени являются: 1) небольшой разброс данных, расположенных вблизи усредненной зависимости 00 = ^х) в случае проведения подготовительных выработок, 2) двух-факторная зависимость д0 = ^х, т) для дегазационных скважин и 3) связь коэффициента снижения метановыделе-ния во времени от выхода летучих веществ.
Численное значение величины д0 можно определять по формуле (6), если установлено значение 00, или рассчитывать по зависимости
где в' - коэффициент, установленный опытным путем [7].
При прогнозе величины д0 значение коэффициента в' рекомендуется определять по формуле
где т - мощность пласта, м.
Коэффициент «а», характеризующий пласт угля по скорости снижения метановыделения в скважины, определяется по фактическим данным или рассчитывается по формулам
где \^аГ - выход летучих веществ, %.
Формула (9) используется при УбаГ<29 %, а формула (10)
- при \^аГ = 29-36 %.
Зависимости (9 и 10) установлены путем анализа данных
о метановыделении в дегазационные скважины, пробурен-
(6)
(7)
в = 1/(16 + 12т) ,
(8)
а = 0,042 - 8,8 10-4^аГ а =0,025 - 3,9 10-4Иа' ,
(9)
(10)
ные по пластам Донбасса, Кузбасса, Карагандинского и Печорского угольных бассейнов [4, 7].
Метод определения параметров дегазации разрабатываемых угольных пластов, базирующийся на учете показателей газоотдачи неразгруженного угольного массива в скважины, позволяет, во-первых, оценить на стадии проектирования возможности пластовой дегазации в конкретных условиях залегания и разработки угольных пластов и, во-вторых, выбрать способ и определить параметры дегазации пласта для производительной и безопасной работы угледобывающей техники по фактору газа.
Технология и параметры увлажнения угольных пластов через скважины изложены в «Инструкции по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа» [11] и «Инструкции по борьбе с пылью и пылевзрывозащите» [12].
В Инструкции [11] увлажнение пласта через скважины рассматривается как региональный способ предотвращения внезапных выбросов угля и газа на незащищенных пластах. Расстояние между нагнетательными скважинами определяется из выражения
Радиус увлажнения Ку зависит от проницаемости и сорбционной способности угля, времени увлажнения и смачивающей способности закачиваемого водного раствора ПАВ. Радиус увлажнения определяется экспериментально. Увлажнение пласта производят при давлении нагнетания Рн из условия [11]
где Рг - давление газа в пласте, кгс/см2; у - объемная масса пород, т/м3; Н - глубина залегания пласта, м.
Выбросоопасные угольные пласты Донбасса считаются достаточно увлажненными, если содержание физически связанной воды, составляет в угле марок: Г, Ж, К - 2,5 %; ОС, Т
- 2 %; А - 3 %. При этом зона пласта считается неопасной, если показатель газодинамической активности угля (отношение содержания метана к содержанию физически связанной
К = 1,8-Ру, м.
(11)
Рг < Рн < 0,75 у Н,
(12)
воды) составляет: К = 0,003 для марок Г, Ж, К; К = 0,0015 для марок ОС, Т и К = 0,0008 для марки А [11].
В инструкции [12] в разделе 3 «Предварительное увлажнение угольных пластов» изложены технология и параметры снижения пылевыделений при ведении очистных и подготовительных работ. Нагнетание жидкости рекомендуется осуществлять высоконапорной насосной установкой. Скважины для нагнетания жидкости в пласт могут быть пробурены из откаточного (вентиляционного) штрека или из обоих штреков. Согласно инструкции скважины должны буриться по наиболее крепкой пачке пласта. Расстояние между скважинами должно приниматься равным двойной глубине герметизации скважины. Расстояние между первой скважиной и плоскостью очистного забоя на момент начала бурения рассчитывается по формуле:
L = Т у+ 15, м (13)
где L - расстояние между первой скважиной и плоскостью забоя в монтажной камере, м; т - продолжительность бурения скважины и нагнетания в нее жидкости, сут; V - средняя скорость подвигания очистного забоя, м/сут.
Таблица 2
Удельный расход жидкости для увлажнения угля в массиве
Наименование показателей
Численное значение при марке угля
Марка угля Д, г ГЖ, Ж КЖ, К ОС Т ПА А
Удельный расход жидкости, (р), л/т 5-30 20-25 10-20 10-20 10-15 10-20 Опреде- ляется опытным путем
На пластах с газоносностью более 10 м3/т расстояние между скважинами выбирается из условия смыкания зон гидрообработки. В условиях, где производится дегазация пластов,
дегазационные скважины рекомендуется использовать для нагнетания жидкости в угольный массив после того, как обрабатываемый участок будет дегазирован. Увлажнение угля
в массиве через дегазационные скважины должно производиться на расстоянии не менее 100 м до очистного забоя [12]. Удельный расход жидкости для увлажнения угля в массиве неразгруженного пласта приведен в табл. 2.
Региональная профилактическая обработка выбросоопасных пластов с применением как дегазации, так и увлажнения является медленным процессом и требует большого опережения очистных и подготовительных работ. Для интенсификации и усиления воздействия процессов профилактической обработки применяются вещества, изменяющие свойства угольного пласта. В целях получения более равномерного распределения напряжений и снижения их концентрации при нагнетании воды в пласт используются добавки поверхностно активных веществ (ПАВ), способствующие увеличению водопроницаемости пласта и повышению его пластических свойств [11].
Диапазон изменения удельного пылевыделения и распределение шахтопластов по группам пыльности (табл. 3) показывают, что третья часть мощных пологих пластов Кузнецкого бассейна относится к VIII, самой высокой, группе пыльности и почти половина - к М^И.
При этом только на пластах до IV группы пыльности (при скорости движения вентиляционной струи 1 м/с) применение существующего в настоящее время комплекса мероприятий по
297
борьбе с пылью может обеспечить достижение санитарной нормы запыленности воздуха по общей массе пыли, равной 10 мг/м3. При этом число мощных пологих пластов, относящихся к МИ группам пыльности (из 54 всего 9), в Кузбассе -2, на Урале - 1, в Восточных районах - 5 и в Казахстане - 1.
Характеристика мощных пологих шахтопластов приведена в табл. 4.
Анализ показывает, что по пылевому фактору в Российской Федерации наиболее благоприятными для разработки являются пласты «Мощный» (шахты «Енисейская», им. Вахрушева и «Воргашорская»), пласт «Чумлякский» (шахта «Коркинская»), пласт «Полысаевский-1» (шахта «Октябрь-
ская»), пласт 29 (шахта «Алардинская») и пласт «Пожарный» (шахта «Капитальная»). Чрезвычайно высоким удельным пы-левыделением характеризуются пласты шахт им. В.И. Ленина, «Новокузнецкая», «Малиновская» в Кузбассе и шахта «Комсомольская» в Печорском бассейне.
Относительно нормальную пылевую обстановку в очистной выработке и по пути следования вентиляционной струи можно получить за счет снижения пылеобразующей способности пластов и уменьшения удельного пылевыделения. Для чего необходимо применение известного и достаточно отработанного на практике увлажнения угля в массиве на шахтах, разрабатывающих пласты, угольная пыль которых обладает взрывчатыми свойствами и наиболее способна вызывать патологию легких [8-10].
Выводы
1 По результатам анализа и обобщения литературных источников и патентной информации, посвященных вопросам дегазации и увлажнения угольных пластов, выявлены тенденции развития способов подземной дегазации и увлажнения угольного массива применительно к выемочным участкам, где необходимы оба мероприятия.
2 Вытекающие из анализа технические решения по совместному применению на выемочных участках дегазации и увлажнения угольного массива базируются:
на геометрическом расположении дегазационных скважин относительно очистного забоя, в основу которых положено бурение перекрещивающихся скважин и определение их параметров;
на использовании пластовых дегазационных скважин для последующего после дегазации увлажнения угольного массива;
на различных способах предварительного воздействия на пласты угля гидравлической средой с целью повышения их проницаемости, газоотдачи в скважины и степени увлажнения массива.
3 Рекомендуемые нормативными документами параметры дегазации и увлажнения угля в массиве применительно к одному и тому же выемочному участку не стыкуются и требуют существенной корректировки, суть которой заключается
в признании права первенства за научно обоснованными параметрами технологии скважинной обработки пласта по фактору дегазации с последующим обоснованием режимов увлажнения угольного массива. Параметры предварительной дегазации разрабатываемых пластов должны быть обоснованы с учетом их свойств к газоотдаче как основного показателя при определении расстояния между скважинами на высокопроизводительных выемочных участках.
4 Метод определения параметров дегазации разрабатываемых угольных пластов базируется на учете показателей газоотдачи неразгруженного угольного массива в скважины. Он позволяет оценить на стадии проектирования возможности пластовой дегазации в конкретных условиях залегания и разработки угольных пластов, выбирать способ и определять параметры дегазации пласта для производительной и безопасной работы угледобывающей техники и шахтеров по газовому фактору. Однако не все факторы, влияющие на газоот-дачу угольных пластов в скважины, исследованы.
5 Предварительная дегазация угольного массива облегчает проникновение жидкости в процессе увлажнения пласта. После дегазации пласта снижается его сопротивление движению жидкости, происходит усадка угля и раскрытие дополнительных фильтрационных каналов.
6 Нет достаточных оснований считать, что технология и параметры увлажнения угольных пластов и предварительной их дегазации на высокопроизводительных выемочных участках научно обоснованы. Поэтому требуются исследования по разработке как новых технологических решений по комплексной дегазации и увлажнению угольного массива, так и по их параметрам.
---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Забурдяев В.С. Дегазация газоносных и выбросоопасных пластов скважинами // Безопасность труда в промышленности. - 1992.-№3.-С.27-30.
2 Рубан АД, Забурдяев В.С. Метановая опасность и проблемы дегазации угольных шахт // Горный вестник. - 1997.-№3.-С.79-85.
3 Zabourdyaev V.S. Gas content forecasting methods for mine developments, gas content reduction means and prevention of sudden gas and coal outbursts // International Symposium - cum - Workshop. 20-24 March 1995.-Wollongong. NSW, Australia.-Pp.229-235.
4 Zabourdyaev V.S. Methods and Experience in Intensive Coalbed Methane Recovery at Coal Mines in the CIS // International Unconventional Gas Symposium (Intergas95), May 14-20.-1995.-Tuscoloosa, Alabama, U.S.A.-Pp.207-217.
5 Zabourdyaev V.S.Role of Degasification in Providing Safe Working Conditions in Gassy Mines // International Coalled Methane Symposium. May 1216/-1997/ - Tuscaloosa. Alabama USA. -Pp.249-264.
6 Zabourdyaev V.S. Results of Study of Outburst Hazard Seams Degassing at Mines in the CIS and the PRC// CCRJ- international Mining Tech. 98 Symposium/ 14-16 October 1998/-Chongquing, China - Pp/177-183.
7 Методические положения по выбору и применению новых технологий дегазации и управления метановыделением на угольных шахтах - Лю-берцы-Макеевка.- 2000. -116 с.
8 Забурдяев Г.С. Смачиваемость углей и пути повышения эффективности борьбы с угольной пылью // Науч. сообщ. ИГД им. А.А. Скочинского -М.: 1971. - № 82.
9 Саламатин А.Г., Забурдяев Г.С. Выемка пологопадающих пластов и проблемы пылеподавления и искровзрывозащиты исполнительных органов очистных комбайнов // Журн. «Уголь». - 1996. - С. 64-68.
10 Забурдяев В. С., Забурдяев Г.С., Козлов В.А., Сухоруков Г.И. Дегазация и увлажнение угольных пластов - эффективные методы повышения взрыво-безопасности и экологии метанообильных шахт // Двойные технологии. Российская академия. Секция «Инженерные проблемы стабильности и конверсии». - 1999. - № 2. - С. 36-40.
11 Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа - М.: 1993. - 192 с.
12 Инструкция по борьбе с пылью и пылевзрывозащите к Правилам безопасности в угольных шахтах. Книга 3 - М.: 1999. - 96 с.
і— Коротко об авторах----------------------------------
Забурдяев Виктор Семенович - кандидат технических наук, Забурдяев Геннадий Семенович - кандидат технических наук,
ИПКОН РАН
---------------------------------------- © Г.С. Забурдяев, 2006
УДК б22.8:бб2.б9
Г.С. Забурдяев
СПОСОБЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ФРИКЦИОННОГО ИСКРЕНИЯ И ВОСПЛАМЕНЕНИЯ МЕТАНА В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ РОССИИ*
