Выделение метана из выработанных пространств в угольных шахтах и его извлечение средствами дегазации Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

К 70-летию КАФЕДРЫ «АЭРОЛОГИЯ ; И . ОХРАНА ; ТРУДА» с .

■ И.В. Сергеев, И.И. Беломойцева,

2000

УДК 622.817:622.324.5.004.82

И.В. Сергеев, И.И. Беломойцева

ВЫДЕЛЕНИЕ МЕТАНА ИЗ ВЫРАБОТАННЫХ ПРОСТРАНСТВ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ И ЕГО ИЗВЛЕЧЕНИЕ СРЕДСТВАМИ ДЕГАЗАЦИИ

1

^^^сточниками выделения метана в выработки угольных шахт являются разрабатываемые, подрабатываемые, надрабатываемые угольные пласты и пропластки и вмещающие породы, метан из которых выделяется как в подготовительные, так и в очистные выработки.

Процесс газовыделения разнообразен и зависит от ряда природных и технических факторов, а газопроявления, а также их количественная оценка зависят от конкретных условий. Выделение метана в лаву происходит вследствие дегазации разрабатываемого и смежных подрабатываемых и надрабатываемых пластов, находящихся в зоне влияния очистных работ. Выделение метана из смежных пластов происходит, как правило, непосредственно в выработанное пространство.

В газовом балансе добычного участка газовыделение из выработанного пространства в большинстве случаев является преобладающим, и доля поступления метана из него достигает 65-80 % от общей газообильности, в том числе из подрабатываемых пластов 45-50 %, из надрабатываемых 15-20 % и из вмещающих пород - 5-10 %. Эти данные свидетельствуют о том, что в практике работы газообильных шахт выработанное пространство является наиболее масштабным источником выделения метана в выработки и представляет наибольшую опасность загорания и взрыва метана вследствие наличия высоких концентраций метановоздушных смесей и неинтенсивного проветривания прилегающих к очистному забою зон.

Газовыделение в выработанное пространство из перечисленных выше источников рассчитывается по следующей формуле

тс hr

д =-----(х - хс)(1 -—), м/т (1)

тв С }гр

где тс - мощность подрабатываемых и надрабатываемых смежных пластов и пропластков, м; тв - мощность вынимаемого пласта, м; х - природная газоносность смежного угольного пласта, м3/т; хс - остаточная газоносность смежного пласта после его подработки или надработки, м3/т; hc,hn - расстояние от разрабатываемого пласта до смеж-с р

ного и предельное расстояние влияния подработки или над-работки, м.

Значение h р зависит от структуры

пород, вынимаемой мощности пласта, способа управления кровлей, угла залегания пласта и других факторов. Известно, что, чем больше разгружается пласт от горного давления, тем интенсивнее отдает он заключенный в нем газ, а чем больше нормальная составляющая действующих гравитационных сил, тем эффективнее разгрузка пласта. В общем случае

hp = N • тв(1,2 + Соsa), м

(2)

где N - коэффициенты, равные 60 и 30 при подработке и надработке (знаки ± соответствуют подработке и надработ-ке).

Относительная газообильность выработок за счет выделения метана из вмещающих пород принимается в пределах 5-10 % от величины газовыделения из разрабатываемого пласта и зависит от литологического состава вмещающих пород.

Целесообразно показать на конкретном примере количественные значения газовыделения, поступающего в выработанное пространство, и характер формирования опасных зон в прилегающем к очистному забою пространстве. Такие опасные зоны существуют в различных местах выработанного пространства, и их местоположение определяется спецификой различных схем проветривания. В качестве примера исполь-зованы данные по горнотехническим параметрам шахты «Зыряновская» (Кузнецкий бассейн), которая разрабатывает несколько угольных пластов при глубине ведения работ 360 м. Рабочий пласт 14 мощностью 1,6 м и углом залегания подрабатывает пласт 15 мощностью 1,7 м на расстоянии по вертикали 50 м, пропласток мощностью 0,3 м на расстоянии 35 м и надрабатывает пласт 13 мощностью 1,5 м на расстоянии 18 м.

Предельное расстояние подработки составляет в соответствии с формулой (1) 130 м, а надработки 35 м. Газообильность выработанного пространства за счет указанных источников составляет

дЩ = — (16 - 2,2)(1 - —) = 9,0 м3/т сп 1,6 130

д\„ = — (16 - 2,2)(1 - —; = 1,9 м3/т сп 1,6 130

п 15 10

дсп = 77 (!6 - 2,2)(1 - —; = 6,5 м3/т 1,6 35

дп = 1,0 м3/т

При расчетах приняты величины газоносности X = 16,0 м3/т и Хс=2,2 м3/т.

Таким образом, суммарное поступление метана в выработанное пространство достигает двп = 9,0 +1,9 + 6,5 +1,0 = 18,4 м3/т.

При добыче угля в лаве 1500 т/сутки абсолютное количество метана, сосредоточенное в выработанном пространстве, непосредственно прилегающем к рабочему пространству, составит

18,4 1500 = 19,1 м3/мин.

1440

Такая большая газообильность, безусловно, может образовать безопасную концентрацию метановоздушной смеси вблизи рабочего пространства в различных зонах, связанных с особенностями схем проветривания. Наиболее распространенными схемами проветривания при разработке пластов средней мощности (1,3—3,5 м) являются возвратноточная схема с погашением вентиляционного штрека вслед за прохождением лавы и прямоточная схема с подсвежением исходящей струи со стороны угольного массива на поддерживаемый штрек в выработанном пространстве (рис. 1, 2).

В первом случае вследствие геомеханических процессов (сдвижение пород в области погашаемого вентиляционного штрека) и характера газодинамического распределения потоков воздуха образуется опасная по повышенным концентрациям зона на сопряжении лавы с погашаемым вентиляционным штреком, в которой на удалении нескольких метров (3-8 м) содержание метана достигает 3-4-5 % и более.

Характерной особенностью прямоточной схемы проветривания с исходящей струей по выработке, поддерживаемой в выработанном пространстве, и с подсвежением через выработку, находящуюся в целике угля, является возможность накопления метана за секциями механизированной крепи, несмотря на наличие значительных утечек воздуха через выработанное пространство.

Из приведенного примера расчета ожидаемая концентрация метана при условии, что газообильность выработанного пространства составляет 19,1 м3/мин, утечках воздуха, сосредоточенных в нижней части лавы 450 м3/мин, достигнет 4,2 %. Образование зоны с такой концентрацией метана и при наличии пыли за секциями крепи и ее постоянное присутствие вблизи рабочего пространства представляет большую опасность взрыва при случайном возникновении пламени или искры. Следует отметить, что такая выгодная с позиций технологии система разработки не соответствует требованиям безопасности без применения способов искусственного извлечения метана. Для ликвидации возникших опасных ситуаций предложен целый ряд способов, при применении которых возможно снизить концентрацию метана до неопасной. На рис. 1, 2 показаны рекомендованные и испытанные в шахтных условиях способы извлечения метана из выработанного пространства как в непосредственной близости от очистного забоя с целью снижения концентрации метана, поступающего в очистной забой (скважины 2 - рис. 1), так и для извлечения метана, скапливающегося во всем объеме выработанного пространства. При применении такого способа, как показали результаты шахтных исследований, концентрация метана на сопряжении лавы с погашаемым вентиляционным штреком снижается до неопасного уровня.

Что касается способов дегазации при системах разработки с поддержанием штрека в выработанном пространстве и с подсвежением исходящей струи (рис.

Рис. 1. Возвратноточная схема проветривания

1 - очистной забой; 2 - скважины, пробуренные для дегазации выра-ботанного пространства; 3 - фланговые скважины; 4 -газопровод.

Рис. 2. Прямоточная схема проветривания с под-свежением исходящей струи

1 - очистной забой; 2 - скважины для дегазации выработанного пространства; 3 - фланговые скважины; 4 - газопровод

2), то при таких технологических схемах следует применять наиболее эффективные способы извлечения метана как скважинами, пробуренными на смежные пласты, так и подобно первой схеме, скважинами, оконтуривающими не только добычной участок, но и в целом выемочное поле (рис. 2). Предложенная схема разработки, проветривания и дегазации применяется на шахтах Кузнецкого и Печорского бассейнов. Дегазация осуществляется как в призабойном пространстве для ликвидации скопления метана за секциями крепи, так, как и в первом случае, и во всем объеме выработанного пространства, достигающего 1,0-1,5 млн. м3. Фактические данные, полученные на шахтах Кузнецкого и Печорского бассейнов, свидетельствуют о том, что предложенные схемы дегазации обеспечивают снижение концентрации метана до допустимых норм и в призабойном, и в выработанном пространстве.

Рис. 3. Схема дегазации горного массива скважинами с дневной поверхности.

Извлечение метана описанными способами значительно снижает его выделение в действующие выработки, однако скопление метана в старых выработанных пространствах может формировать взрывоопасные зоны, в том числе в выработках смежных шахт. Поэтому дегазация этого источника поступления метана практически важна не только для добычи метана как топлива, но и для снижения взрывоопасности выработок действующих соседних шахт.

При решении этой задачи следует оценивать объемы метана в выработанных пространствах и рациональные способы его извлечения.

Накопление метана в старых выработанных пространствах предопределяется рядом геологических и горнотехнических факторов, которыми являются природная и остаточная газоносность угольных пластов и вмещающих пород, мощность и угол падения пластов, глубина их отработки, площадь выемочных полей и способы управления кровлей.

Выполненная оценка ресурсов метана в старых выработанных пространствах на двух шахтах Восточного Донбасса показала, что на шахте «Донецкая» в период с 1991 по 1996 гг. отрабатывались последовательно три пласта на площади 3,5 млн. м2. Общие запасы метана до отработки угленосной толщи составляли 115 млн. м3. При последовательной отработке пластов они снизились до 32,5 млн. м3. На шахте «Центральная» в период с 1988 по 1997 гг. отрабатывался один пласт на площади 0,85 млн. м2, где общие запасы в угленосной толще достигали 120 млн. м3. После отработки пласта они снизились до 85 млн. м3. Эти запасы в старых выработанных пространствах можно считать как достаточные ресурсы метана для извлечения после закрытия шахт, так и их извлечение в качестве ликвидации опасного источника газопроявления.

Исходя из опыта дегазации выработанных пространств действующих шахт и опыта добычи метана из закрытых зарубежных шахт, основными базовыми способами извлечения метана из закрываемых шахт РФ могут являться:

• извлечение метана посредством оставленных в выработках, примыкающих к выработанному пространству, газопроводов из перфорированных труб с последующим их подключением к дегазационному трубопроводу, выведенному на поверхность.

• извлечение метана скважинами, пробуренными в выработанное пространство из оконтуривающих его выработок с подключением их к дегазационному трубопроводу, выведенному на поверхность к вакуум-насосным установкам (рис. 1, 2).

• извлечение метана скважинами, пробуренными в выработанное пространство с поверхности, в места наиболее вероятного скопления метана с последующим подключением их к ваку-ум-насосным установкам на поверхности (рис. 3).

Первый способ может быть применен практически во всех угольных бассейнах, второй - в Печорском и других бассейнах, где отработка угольных пластов ведется по бесцеликовой технологии; третий способ - также во всех бассейнах за исключением шахт Воркуты и шахт с выработанными пространствами на глубине более 600 м. При извлечении метана из выработанных пространств возможен нестабильный его дебит, что нежелательно в случае утилизации метана. Поэтому целесообразно создавать объединенную сеть нагнетательных систем нескольких шахт. Так, нами установлено несколько групп шахт, которые объединяются в единую дегазационную систему трубопроводов с действующими шахтами, что позволит довести суммарный дебит каптируемого метана до 80-100 м3/мин и более.

Учитывая опыт дегазации шахт РФ и, в первую очередь, Печорского и Кузнецкого бассейнов, а также зарубежных стран, можно утверждать, что извлечение метана из старых выработанных пространств выгодно с точки зрения безопасности, экономики и благоприятно для окружающей среды.

/"

Сергеев И.В. — профессор, доктор технических наук, зав. отделением рудничной аэрологии ИГД им. А.А. Скочинского.

Беломойцева И.И. — горный инженер, старший научный сотрудник ИГД им. А.А. Ско-