CC BY
61
__________________________________ © В.Н. Бобровников, В.А. Зуев,
Ю.М. Погудин, 2009
УДК 622.411
В.Н. Бобровников, В.А. Зуев, Ю.М. Погудин
ДЕГАЗАЦИЯНАДРАБАТЫВАЕМЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ВОРКУТСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Изложен опыт дегазации надрабатываемыхугольных пластов на шахтах Воркуты. Выполнена оценка эффективности различных схем дегазации, представлены результаты шахтных исследований.
Статья посвящена решению проблемы развития и совершенствования методов дегазации надрабатываемых угольных пластов-спутников, являющихся одним из основных источников выделения метана в горные выработки угольных шахт. Для метанообильных шахт Воркутского месторождения решение этих задач является очень важным и актуальным. Следовательно, тема статьи тоже актуальна. Представленная работа опирается на большой массив шахтных исследований, проведенных на выемочных участках шахт ОАО "Воркутауголь". Научный анализ и обобщение опытных данных позволили выявить рациональные параметры схем дегазации надрабатываемых угольных пластов, обеспечивающие высокий уровень дегазации этого значительного источника газовыделения.
Ключевые слова: метан, дегазационные скважины, углепородный массив, га-зовыделение.
в я рименяемые на Воркутском месторождении фланговые и
И контурные схемы дегазации выемочных участков разработаны преимущественно для условий каптажа метана из подрабатываемых угольных пластов. Известные схемы дегазации надрабатываемых угольных пластов и пропластков не всегда эффективны, а в последние 6-8 лет на шахтах, "Северная", "Заполярная", "Комсомольская" ОАО "Воркутауголь" существенно сократили свое промышленное значение. Выделяющийся из нижних пластов-спутников (до 15-18 м3/т добычи) метан после выноса его утечками из выработанного пространства необходимо разбавлять до требуемых концентраций, на что расходуется до 70 % расхода воздуха, подаваемого на выемочные участки пласта "Четвертый", применяющие прямоточную с подсвежением схему проветривания и столбовую систему разработки.
Показателен опыт заложения и бурения нисходящих дегазационных скважин применительно к условиям отработки пласта "Четвертый" лавой 622ю шахты "Воркутинская" ОАО "Воркутауголь". Угол падения пласта составлял 11-15о по линии забоя и 1-4о - по
линии простирания (по конвейерному штреку 622ю пласта "Четвертый"). Контурные скважины бурили с конвейерного штрека 622ю пласта "Четвертый" до пропластка n8, пласта "Пятый" и n6. Скважины имели достаточно высокий дебит метана, достигавший 4 м3/мин на участке длиной до 350 м, примыкающем к лаве со стороны выработанного пространства. Эффективность дегазации нижних пластов-спутников колебалась в интервале 34-80 %, составляя в среднем 57%.
Достаточно высокий дебит каптируемого метана, полученный шахтой "Воркутинская" из нисходящих скважин, обусловлен тем, что стволы скважин располагались в надрабатываемой толще выработанного пространства, в определенной зоне. Ширина этой зоны, характеризующейся влиянием разгрузки от первоначального горного давления, вдоль поддерживаемой за лавой конвейерной выработки составляла для рассматриваемых условий около 20 м, а от забоя лавы - около 40 м. Наблюдения показали, что средний первоначальный дебит дегазационной скважины составлял 3 м3/мин с концентрацией метана 80-100 %. В последующем, по мере удаления очистного забоя от скважины, дебит снижался, причем скачкообразно, и в среднем был равен 1-1,5 м3/мин с концентрацией 50 %.
На шахте "Северная" дегазацию надрабатываемых пластов-спутников выполняли при отработке выемочных столбов 912ю и 1012ю пласта "Четвертый". Технология инженерной подготовки состояла в бурении дегазационных скважин впереди опорной зоны лав из ниш, оформляемых заблаговременно с конвейерного бремсберга 102ю со стороны неотработанного угольного массива. Расстояние между смежными нишами, которые подготавливали под буровой станок СБГ-1м, составляло 140-220 м. Расстояние lp между нишами определяли из условия, согласно которому величина lp должна быть не менее максимального шага разгрузки надрабаты-ваемых пластов-спутников.
Впереди лавы было подготовлено шесть ниш, из каждой ниши было пробурено 3-5 нисходящих скважин, 2-4 из которых - до пласта-спутника nJ0, а 1-2 -до пластов-спутников n9 и n7.
Схема расположения скважин дегазации относительно границы выработанного пространства и пластов-спутников nJ0, n9, n7 представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема расположения (а) и определения параметров заложения дегазационных скважин относительно границ выработанного пространства (б) на одном из участков выемочного столба 912ю пласта "Четвертый" шахты "Северная"
Углы разворота скважин относительно оси выработки изменяли от 6 до 90о, углы подъема - от - 6 до - 65о, длину скважин - от 40 до 120 м. При этом из одной ниши скважины бурили навстречу забою лавы, параллельно забою и в направлении его подвигания. Глубина обсадки скважин составляла 10 м. Из вентиляционного магистрального штрека 112ю в выработанное пространство по падению, на нижние спутники П10 и п9, были пробурены также 2 фланговые скважины.
Как видно из графиков рис. 2, для всех вариантов расположения скважин в зоне разгрузки за очистным забоем характерно наличие нескольких максимумов газовыделения. Волновой характер изменения дебита метана можно объяснить цикличным характером разгрузки углепородного массива в вертикальном направлении. Общим для всех вариантов является то, что газовыделение начиналось впереди лавы, при этом начальный дебит метана из скважины не превышал 1,4-1,5 м3/мин. По мере приближения лавы к забою скважины (по первому варианту- рис. 2, а), к оси скважины (по второму варианту- рис. 2, б) и к ее устью (по третьему варианту -рис. 2, в) начальное газовыделение снижается до минимума, а после перехода забоем лавы, соответственно, забоя, оси и устья скважины газовыделение начинало возрастать до величины первого максимума.
Обработка результатов замеров дебитов скважин, 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 и заканчивается через 3,5-5,0 месяцев работы скважин. Дебит метана имеет несколько максимумов, приуроченных к зонам разгрузки пластов-спутников п№ п9 и п7, при концентрации метана, изменяющейся от 100 до 45 %.
Анализ графиков показывает, что процесс развития и затухания газовыделения в зоне влияния поддерживаемой за лавой 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 (скважины пробурены
Продолжительность каптажа, мес.
Расстояние от забоя скважины до лавы, м
_________Продолжительность каптажа, мес.
20 0 -68 -98 -168 -243 -306 -38
Расстояние от оси скважины до лавы, м
Продолжительность каптажа, мес.
-65 -152 -212 -264 -372 -440 -510
Расстояние от устья скважины до лавы, м
- дебит скважин
- концентрация метана
Рис. 2. Изменение дебита и концентрации метана по скважинам, пробуренным навстречу (а, до пласта-спутника п1(),параллелъно забою (б, до пласта-спутника п7), в направлении его подвигания (в, до пласта-спутника п9) и зависимость между количеством случаев повышенной концентрации метана N и расстоянием между скважинами Я, выраженным в радиусах влияния их вакуума (г)
13 0
41 0
г
навстречу лаве) 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 "Четвертый" нижнего пласта-спут-ника П10.
Анализ графиков рис. 2 свидетельствует также о том, что для первого и третьего (скважины пробурены в направлении подвига-ния лавы) вариантов расположения скважин максимальная интенсивность газовыделения приурочена к участку, часть которого длиной до 30-40 м примыкает к очистному забою со стороны опорного давления, а другая его часть длиной до 120-150 м примыкает 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 газовыделения, прослеживается до 350-450 м за очистным забоем.
Таким образом, наиболее технологичным и результативным вариантом расположения нисходящих дегазационных скважин является комплексный, при котором часть скважин ориентирована навстречу лаве, другая часть - параллельно забою, а также в направлении его подвигания.
Количество скважин, пробуренных в подрабатываемую и надрабатываемую толщу, по мере подвигания лавы 912ю пласта "Четвертый" шахты "Северная" ежемесячно увеличивалось. 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. Дебит метана, приходящегося на всю дегазацию выемочного участка, в течение года увеличился с 28,6 до 40,9 м3/мин, а на вентиляцию - с 7,4 до 15,3 м3/мин. Эффективность дегазации участка достигала 75-80 %.
Проверка в шахтных условиях комплексной схемы дегазации надрабатываемых пластов-спутников выявила возможность ее применения в сходных горно-геологических условиях, в том числе в ситуациях, связанных с парной подготовкой выемочных столбов. В последнем случае бурение скважин возможно из сбоечных печей, пройденных на расстоянии друг от друга 90-100 м. Применение
встречных забою нисходящих скважин, а также параллельных забою и в направлении его подвигания скважин позволит повысить до 40-50 % и более эффективность дегазации надрабатываемой толщи, не превышающей в настоящее время обычно 15-20 %.
На шахте "Комсомольская" ОАО "Воркутауголь" при отработке выемочного столба 312с пласта "Четвертый" наблюдения проводились за шестью нисходящими дегазационными скважинами. Все скважины были пробурены с конвейерного штрека 312с. Первая из них (№ 28) была пробурена в 138 м позади лавы. Бурение сопровождалось газовыделением из почвы, через два дня, после подключения скважины к дегазационному трубопроводу, выделение газа из почвы выработки прекратилось. Вместе с газом происходило обильное выделение воды на полное сечение скважины. Вода выделялась из скважины в течение 6 месяцев, дебит самоизлива воды из скважины достигал 18-20 л/мин и более. Как только снизились концентрация газа в метановоздушной смеси и его дебит, прекратилось выделение воды самоизливом и ее уровень установился в 5 м ниже почвы выработки. Но даже при наличии воды в скважине № 28 средний дебит метана составил 1,2 м3/мин с концентрацией газа 80-100 %.
Последующие скважины бурили из специальных ниш в конвейерном штреке 312с впереди забоя, по две нисходящие скважины в кусте, с углами разворота навстречу и по ходу движения линии очистного забоя. Скважины № 34 и № 35 были подключены к одному замерному устройству. Начало выделения метана из скважин зафиксировано в 9 м впереди очистного забоя. На расстоянии 96 м позади очистного забоя началось выделение метана из скважины № 34 (общее замерное устройство зафиксировало повышение дебита газа до 1,9 м3/мин), в дальнейшем дебит метана постепенно понизился и в среднем составил 0,9 м3/мин с концентрацией не ниже 40
О/
%.
Скважина № 25 была пробурена с разворотом навстречу линии очистного забоя. Выделение газа началось в 4 м впереди очистного забоя. За период работы этой скважины в течение 6 месяцев средний дебит метана составил 1 м3/мин с концентрацией газа в смеси 80 %. Больших колебаний дебита и концентрации метана не наблюдалось, происходило плановое снижение этих параметров. Возможно, как и на скважину № 28, повлияло наличие воды и ее фонтанирование из скважины совместно с газом.
На выемочном участке лавы 312с пласта ’’Четвертый” шахты ’’Комсомольская” все нисходящие дегазационные скважины имели фонтанирование (самоизлив) воды в процессе их работы. Как только прекращался самоизлив воды из дегазационной скважины, понижался дебит метана и падала его концентрация в газовоздушной смеси. В среднем за период наблюдений на одну скважину приходится 1,46 м3/мин метана с высокой концентрацией его в газовоздушной смеси. Эффективность дегазации надрабатываемого массива составила 35 %. [дш
Bobrovnikov V.N., Zuev V.A., Pogudin J.M.
DECONTAMINATION OF ABOVE-MINED COAL LAYERS OF THE VORKUTSKY DEPOSIT
The experience of degassing the above-mined coal seams at the mines of Vorkuta is described. The efficiency of various degassing methods is evaluated; the results of mine investigations are presented.
Key words: Degassing of above-mined coal layers of the Vorkutsky deposit.
— Коротко об авторах -------------------------------------
Бобровников В. Н. - доктор технических наук,
Зуев В.А. - кандидат технических наук,
Погудин Ю.М. - кандидат технических наук
филиал СПГГИ (ТУ) «Воркутинский горный институт».
