CC BY
61
------------------------------- © В.М. Карпов, Т.В. Мешалова,
2011
В.М. Карпов, Т.В. Мешалова
ВЫБОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ДЕГАЗАЦИИ ВЫСОКОГАЗОНОСНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
Рассмотрена проблема дегазации высокогазоносных угольных пластов. Рассмотрены основные технологические схемы дегазации и осуществлен выбор наиболее эффективной и перспективной схемы на примере шахт «Зуевская» и «Коммунист ».
Ключевые слова: угленосная толща, газообильность, дегазация, эффективность дегазации, пневмогидровоздействие
~П условиях непрерывного возрастания глубины горных ра-
Х.#бот интенсификация добычи угля связана с резким увеличением газообильности шахт. На шахтах Донецкого бассейна показатель газообильности достиг более 30 м3/мин. Газовый фактор является одним из основных препятствий увеличения нагрузки на очистной забой. Поэтому на шахтах Донецкого бассейна в зависимости от их горногеологических и горнотехнических условий находят применение различные способы и технологические схемы заблаговременной дегазации неразгруженных от горного давления разрабатываемых пластов скважинами, пробуренными с поверхности. От выбора технологической схемы заблаговременной дегазации угольных пластов скважинами с поверхности отличаются по конструкции скважин и их расположению на выемочном участке, виду воздействия, способа освоения.
Выбор той или иной технологической схемы дегазации зависит от применяемого флюида и влияния его на фазовую проницаемость пласта для метана, срока извлечения метана из угленосной толщи, влияния флюида на устойчивость боковых пород разрабатываемых пластов, системы разработки, порядка отработки пластов и других факторов.
В настоящее время на шахтах «Зуевская» и «Коммунист» для снижения газообильности горных выработок применяются различные технологические схемы заблаговременной дегазации угленосной толщи скважинами с поверхности.
Заблаговременной дегазации были подвергнуты выемочные участки, разрабатываемые 9-й восточной лавой пласта k5 шахты
«Зуевская» и 48-й, 50-бис лавами пласта g2^' шахты «Коммунист». На выемочном участке 9-й восточной лавы пласта k5 пробурено
восемь скважин, а в районе 48-й и 50-бис пласта g2^' - шесть скважин.
Выемка угольных пластов k5 и g^ производилась по сплошной системе. Длина лав составляет 200 м. Управление кровлей -полное обрушение. Выемка угля в лавах производилась по челноковой схеме. Проветривание 9-й восточной лавы пласта k5 осуществлялось по возвратноточной схеме, а выемочных участков пласта g2Я - по прямоточной схеме.
Применялись три схемы дегазации выемочных участков: скважинами с поверхности, обсаженными на всю глубину и перфорированными; скважинами, обсаженными на всю глубину, перфорированными в интервалах залегания угольных пластов и газоносных пород с последующим нагнетанием рабочей жидкости в режиме гидрорасчленения; скважинами, обсаженными ниже отметки рабочего пласта, перфорированными в интервалах пластов и пород с последующим пневмогидровоздействием. Скважины обсаживались колонной труб, внутренним диаметром 100 мм.
Первая технологическая схема использовалась для дегазации выемочных участков 9-й восточной лавы и 48-й лавы. Скважины перфорировались на расстоянии 10, 50, 80 и 95 м от кровли разрабатываемых пластов.
Исследованиями установлено, что метановыделение из сближенных пластов и пород является главной составной частью общего газовыделения на выемочных участках 9-й восточной, 48-й и 50-бис лав, достигая 80%.
После подработки скважин горными работами они подсоединялись к вакуум-насосной станции для дегазации выработанного пространства из куполов обрушения. Измерения расходов метана в дегазационных скважинах и горных выработках шахт «Зуевская» и «Коммунист» показали, что 11-17% метана, выделяющегося из сближенных пластов и вмещающих боковых пород, извлекается на поверхность по скважинам.
Расходы метана, извлекаемого скважинами из угольных пластов и вмещающих боковых пород, не подвергнутых гидравлической обработке в среднем составляли 1,4-2,5 м3/мин при давлении разряжения на устье скважины 280-340 мм рт.ст.
Анализ горных работ на данных шахтных полях показал, что при интенсивной выемке угля, существующем проветривании и дегазации, содержание метана в исходящей вентиляционной струе достигает критического уровня и требует принятия дополнительных мер по снижению метанообильности горных выработок.
В этом направлении рекомендовано применение дегазации угленосной толщи с использованием скважин с поверхности, обсаженными на всю глубину, перфорированными в интервалах залегания пластов и вмещающих боковых пород с нагнетанием рабочей жидкости в режиме гидрорасчленения. Гидравлической обработке подвергнуты угольные пласты K5 , K5, g^ и песчаники, залегающие в кровле
разрабатываемых пластов. В угольные пласты и песчаники было закачано 150-1440 м3 рабочей жидкости в каждую скважину при среднем темпе нагнетания на 10-33 л/с и давлении на устье скважины 12-18 МПа. Средний расход метана, извлекаемый скважинами, подсоединенными к вакуум-насосной станции, составлял 5,77,9 м3/мин.
Результаты исследования абсолютной газообильности лав в зонах и вне зон влияния скважин представлены в табл. 1, 2.
Более высокая эффективность дегазации с использованием второй технологической схемы объясняется следующим образом. В процессе гидравлической обработки увеличивается проницаемость угленосной толщи за счет раскрытия естественных систем трещин и соединения их в единую гидравлическую систему, ориентированную к скважине. При ведении очистных работ происходит разгрузка угленосной толщи за счет роста трещинообразования и сдвижения пород кровли, что сопровождается интенсивной мета-ноотдачей из пластов и вмещающих боковых пород.
Исследованиями установлено, что эффективность дегазации в зонах скважин с гидровоздействием на угленосную толщу в 1,4-2,7 раза выше в сравнении с первой технологической схемой дегазации.
404
Таблица 1
Газовый баланс и эффективность технологических схем дегазации угленосной толщи восточной лавы № 9 шахты «Зуевская»
№ п/п Показатели Единицы измерения Зона воздействия Эффективность дегазации, %
Исход- ная Купола обрушения Гидровоз- действия Пневмо- гидро- воз- действия Купола обрушения Гидровоз- действие Пневмо- гидро- воз- действие
1 Метановыделение на участке м3/мин 13,0 11,6 4,3 3,5 11 67 73
2 Метановыделение из пласта м3/мин 2,6 2,6 0,95 0,67 - 63 74
3 Метановыделение из выработанного пространства м3/мин 10,4 9,0 3,35 2,83 17 68 73
4 Концентрация метана на исходящей струе участка % 1,32 1,1 0,72 0,56 16 45 58
5 Количество подаваемого воздуха на участке м3/мин 989 958 664 662 4 33 33
6 Нагрузка на лаву т/сут 344 358 367 373 4 6 9
Таблица 2
Газовьш баланс и эффективность технологических
405
схем дегазации угленосной толщи выемочных участков шахты «Коммунист»
№ п/п Показатели Единицы измере- ния Исход- ная зона Купола обруше- ния Зона гидро- воздей- ствия Зона пневмогидровоздействия Эффективность дегазации, %
Ла- ва48 Лава 50- бис Купола обру- шения Гидро- воздей- ствие Пневі возд Лава 48 огидро- ействие Лава 50-бис
1 Метановыделение на участке м3/мин 14,0 11,35 8,3 7,3 3,5 19 41 48 75
2 Метановыделение из пласта м3/мин 2,65 2,65 1,6 0,85 1,0 - 40 68 62
3 Метановыделение из выработанного пространства м3/мин 11,35 8,7 6,7 6,75 2,5 23 41 43 78
4 Концентрация метана на исходящей струе участка % 1,04 1,06 0,53 0,5 0,4 - 49 52 62
5 Количество подаваемого воздуха на участке м3/мин 1267 1449 1643 985 637 - - 22 50
6 Нагрузка на лаву т/сут 612 628 650 744 766 3 6 18 20
Однако, применение дегазации угленосной толщи с последующей гидравлической обработкой ограничивается резким снижением фазовой проницаемости пласта для метана, наличием неустойчивой кровли разрабатываемых пластов и длительным сроком освоения скважин (3-5 лет).
Перспективной, на наш взгляд, представляется третья технологическая схема дегазации с применением пневмогидровоздействия на угленосную толщу.
В процессе пневмогидровоздействия на пласты K5 , ^ , g2^' и вмещающие боковые породы закачано в каждую скважину 19-175 м3 рабочей жидкости при темпе нагнетания 10-43,5 л/с и давлении на устье скважины 12,4-25 МПа. Общий объем воздуха, нагнетаемого в пласт через скважину составил 90-383 тыс. м3 при темпе нагнетания 0,15-0,6 м3/с и давлении на устье скважины 4,8-10,2 МПа.
Расход метана, извлекаемого скважинами из угленосной толщи, подвергнутой пневмогидровоздействию, в среднем составлял 4,8-9,2 м3/мин. Эффективность дегазации угленосной толщи в зонах скважин с пневмогидровоздействием приведена в табл. 1, 2.
За счет дегазации угленосной толщи путем пневмогидровоздействия абсолютная газообильность горных выработок шахт «Зуевская» и «Коммунист» снижена в 3,7 и 1,9-4 раза соответственно.
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
- сравнение трех технологических схем дегазации угольных пластов свидетельствует о более высокой эффективности дегазации с использованием пневмогидровоздействия на угленосную толщу;
- технологическая схема дегазации угленосной толщи путем пневмогидровоздействия может применяться на пластах с любой устойчивостью кровли;
- достигнутая эффективность дегазации угленосной толщи путем пневмогидровоздействия обеспечит технологический ритм выемочных участков шахт «Зуевская» и «Коммунист» при отсутствии простоев из-за сложной газовой обстановки, что позволит увеличить добычу угля в 1,25 раза и повысить безопасность труда рабочих.
------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ушаков К.З., Бурчаков А.С., Пучков Л.А., Медведев И.И. Аэрология горных предприятий: Учебник для вузов. - М.: Недра, 1987. - 421 с.
2. Алексеев В.В., Брюховецкий О.С. Горная механика. - М.: Недра, 1995.
3. Забурдяев В.С. Пути предупреждения взрывов метана и уголына шахтах. - М: МГТУ, ГИАБ. - 2004. - № 8. - С. 247-248.
4. Колмаков В А. Метановыделение и борьба с ним в шахтах. М.: Недра, 1981.- 136 с. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ------------------------------------------------------
Карпов В.М. - доцент, Московский государственный горный университет, Мешалова Т.В. - консультант отдела управления по надзору в горной металлургической и нефтегазодобывающей промышленности Ростехнадзора РФ.
