CC BY
41
------------------------------- © А.Д. Рубан, Г.С. Забурдяев,
В.С. Забурдяев, 2006
УДК 622.817.47
А.Д. Рубан, Г.С. Забурдяев, В.С. Забурдяев
ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ ВЫСОКОГАЗОНОСНЫХ И ПЫЛЬНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ*
Согласно действующим в угольной промышленности России нормативам вопросы повышения производительности, обеспечения безопасности и санитарно-гигиенических условий труда шахтеров играют особую роль. Среди основных требований в процессе подземной разработки высокогазоносных пластов являются профилактические работы по предотвращению вспышек и взрывов метана и угольной пыли, а также создание здоровых условий труда, исключающих воздействие на работающих опасных и вредных производственных факторов, порождающих травматизм, аварии и заболевания шахтеров, в том числе пневмоконио-зом, поскольку наличие в рудничной атмосфере пыли, различных газов и паров ускоряет возникновение легочных заболеваний и ухудшает их течение.
Наличие гибридных смесей в угольных шахтах таких как: метан - воздух, угольная пыль - воздух, угольная и пиритная пыль - воздух, метан-водород-воздух, метан-сероводород-воздух и всевозможные комбинации выше отмеченных составляющих многократно ускоряют процессы вспышек и взрывов таких смесей. Гибридные смеси опасны еще и тем, что они могут создавать взрывоопасные ситуации, хотя каж-
* Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (Проект № 05-05-65062)
дая смесь в отдельности находится вне пределов взрывного распространения пламени. Взрывы метановоздушной смеси инициируют взрывы угольной пыли, а взрывы угольной пыли сопровождаются еще большими разрушениями горных выработок и большими человеческими жертвами.
В 2004 г. на предприятиях угольной промышленности России в результате нарушения правил техники безопасности из-за снижения эффективности проветривания в течение длительного времени, ошибок при выполнении текущего прогноза выбросоопасности забоя и массового обрушение кровли с вытеснением метана из выработанного пространства произошло 7 взрывов метано- и метанопылевоздушных смесей с человеческими жертвами и разрушением горных выработок, в связи с чем нанесен значительный материальный ущерб. В 2005 г. (за 10 месяцев) отмечено четыре взрыва метана, погибли 27 человек, из них 10 шахтеров и 17 горноспасателей. Вспышки метана от фрикционного искрения исполнительных органов комбайнов о горные вмещающие породы с включением пирита составляют 20 % общего их числа и материальный ущерб в 2003 г. достиг 41,2 млн. рублей.
Согласно статистике в течение 1994-2005 гг. в результате 82 вспышек и взрывов метанопылевоздушных смесей в шахтах России погибло 370 человек. Динамика взрывов и вспышек метана и угольной пыли свидетельствует о том, что за периоды 1971-1975 г.г., 1976-1980 г.г. и 1981-1985 г.г. их число составило соответственно 50, 72 и 69. В течение 19861990 г.г. наблюдался некоторый спад как по числу взрывов, так и по числу погибших шахтеров. Однако в следующей пятилетний период (1991-1995 гг.) число взрывов и погибших снова возросло. В последующие годы, несмотря на снижение числа взрывов, тяжесть их возросла. Материальный ущерб от вспышек и взрывов метана и угольной пыли в 2000-2004 гг. составил около 3 млрд. руб.
Губернатор Кемеровской области А.Г.Тулеев в газете "Труд" от 15 июня 2005 г. в статье "Чтобы выходы на-гора равнялись спускам в шахту" подчеркнул: "Прежде всего необходимо серьезно разобраться в экологии, подтянуть отраслевую науку. Мы ждем от нее серьезных наработок по га-
зоуправлению и дегазации угольных пластов на высокопроизводительных шахтах". Однако профилактике этих мероприятий на шахтах уделяется недостаточное внимание.
Опытом ведения дегазационных работ на угольных шахтах России и других стран СНГ, а также исследованиями НИИ выявлено, что эффективность предварительной дегазации разрабатываемых угольных пластов скважинами снижается и существенно отличается не только в пределах регионов и горных отводов шахт, но и на выемочных участках одной и той же шахты. Обусловлен этот факт тем, что газоотдача угольных пластов в дегазационные скважины изменяется в значительных пределах в связи с различными газодинамическим состоянием массива и свойствами углей отрабатываемых пластов. Поэтому для проектирования предварительной дегазации необходимо иметь достоверные данные о газоот-даче неразгруженных угольных пластов, которая характеризуется интенсивностью начального метановыделения в скважины и темпом его снижения во времени.
Актуальность темы обусловлена еще и тем, что на передовых угольных шахтах России очистные забои оборудованы современной выемочной техникой, способной по технической характеристике производить 10-15 тыс. т угля в сутки и более. Однако, обильное метановыделение из отрабатываемых высокогазоносных пластов угля сдерживает возможности угледобывающей техники по газовому фактору, что существенно влияет на рентабельность угольных шахт. Чем выше будет эффективность дегазационных работ на шахтах, тем выше нагрузки на очистные забои по газовому фактору и ниже себестоимость угля.
Целью работы явилось обоснование параметров дегазации разрабатываемых пластов скважинами, пробуренными из горных выработок, и параметров увлажнения угольного массива, а его задачами - исследование влияния газодинамических характеристик пласта и петрографического состава углей на показатели газоотдачи угольных пластов в дегазационные скважины и пылеобразующую способность пластов угля при очистной выемке.
При выполнении темы собрана и обработана информация о метановыделении из угольных пластов в подготовительные выработки и дегазационные скважины в условиях шахт Кузнецкого бассейна и Воркутского месторождения [13]. В Кузбассе это шахты «Чертинская» (пласты 3, 4 и 5), «Западная» (пласт 5), «Октябрьская» (пласты Полысаевские 1 и 2, Надбайкаимский), «Абашевская» (пласты 14, 15, 16, 26), «Есаульская» (пласты 26 и 29), «Томская» (пласты III, IV-V, VI), «Осинниковская» (пласты к1 и к5), «Алардинская» (пласты 1 и 3-3а), «Распадская» (пласты 6, 7, 9, 10, 11), а в Воркуте - шахта «Воркутинская» (пласт Четвертый), «Заполярная» (пласт Четвертый), «Комсомольская» (пласты Мощный и Четвертый), «Северная» (пласт Пятый), «Центральная» (пласт Пятый), «Аяч-Яга» (пласт Ц) и «Южная» (пласт Ц). Всего 70 пластовых выработок и 19 выемочных участков с дегазацией угольных пластов [1-4]. Информация содержит сведения о глубине залегания угольных пластов от земной поверхности, их мощности и газоносности, параметрах выработок и скважин. При этом фактические данные о метановы-делении были использованы для определения показателей газоотдачи угольных пластов в подготовительные выработки и дегазационные скважины, т.е. были установлены величины начального удельного метановыделения и динамика его снижения во времени как в выработки, так и в дегазационные скважины.
Газодинамические и фильтрационные свойства неразгруженных угольных массивов при их газоотдаче в подготовительные выработки и скважины оценены величиной экспериментально определенного коэффициента, которому дано название «К - фактор». Численные значения этого коэффициента определены путем проведения газовоздушных съемок в тупиковых забоях действующих подготовительных выработок, а также использованы декадные замеры расхода воздуха и содержания в нем метана при подготовке к отработке выемочных участков на шахтах Кузбасса и Воркуты. Кроме того, применительно к отдельным угольным пластам на 8 выемочных участках дополнительно определены величины к-фактора по материалам наблюдений за выделением метана из пласта в дегазационные скважины. Сопоставление
численных значений К - фактора для выработок и к - фактора для скважин свидетельствует о том, что они имеют довольно близкие значения как в случаях метановыделения из угольного массива в выработку, так и в скважины, что позволяет определять прогнозные величины показателей газоотдачи угольных пластов, например, в дегазационные скважины по имеющимся данным о газоотдаче пласта в подготовительные выработки. В связи с этим в конкретных условиях подготовки угольных пластов к дегазации и последующей отработке целесообразно предварительное проведение газовоздушных съемок (не менее 2-3 съемок в проводимом тупиковом забое), в процессе которых определяется интенсивность выделения метана из массива угля в выработку на участке пласта, подлежащего дегазации, с тем, чтобы по экспериментально установленным показателям газоотдачи пласта в выработку определить путем перерасчета показатели газоотдачи участка пласта в скважины [1].
Результаты определения и сопоставления численных значений К-фактора в случаях выработок и дегазационных скважин, проведенных на различных глубинах отработки угольных пластов, свидетельствуют о линейной их связи с глубиной залегания пластов различной мощности, что подтверждено материалами табл. 1.
Таблица 1
Численные значения коэффициента пропорциональности «а» в уравнении зависимости К-фактора от глубины в случаях метановыделения в подготовительные выработки (ав) и дегазационные скважины (ас)
Угольный бассейн, месторождение Мощность угольных пластов, м Значение коэффициентов
а ас
В природных условиях
Кузнецкий 2,1 0,025 0,023
4,5 - 9,5 0,020 -
Воркутское 1,5 - 4,0 0,025 0,029
В условиях частичной разгрузки пласта от горного давления
Карагандинский 1,8 - 5,6 0,067 0,070
Воркутское 1,4 0,030 0,039
В условиях частичной разгрузки и дегазации пласта
Кузнецкий 1,5 - 2,1 0,069 0,070
Карагандинский 1,4 - 7,0 0,128 0,115
Установленные зависимости позволяют при наличии исходных горно-геологических и горнотехнических данных прогнозировать величины начального удельного выделения метана в скважины и темпа его снижения от времени их функционирования [5-8].
По опубликованным и фондовым материалам собрана и частично обработана информация о присутствии в углях дегазированных пластов петрографических разностей с тем, чтобы оценить их влияние на показатели газоотдачи угольных массивов в подготовительные выработки или дегазационные скважины. При этом выборка данных о присутствии в углях витринита, фюзинита, семивитринита и лейптинита производилась с максимальным приближением к объектам, на которых проводились работы по предварительной дегазации разрабатываемых пластов скважинами или выполнялись газовоздушные съемки в процессе проходки тупиковых пластовых выработок. Такими объектами были шахты Кузнецкого угольного бассейна и Воркутского месторождения.
Выявлены зависимости интенсивности начального мета-новыделения О0, м3/(м2 сут) в подготовительные выработки и д0, м3/(м2 сут) в дегазационные скважины от процентного со-
держания витринита и фюзинита. Эта зависимость на примере дегазационных скважин изображена на графиках рис. 1. Аналогичные исследования выполнены по темпу снижения метановыделения во времени в выработки (А, сут-1) и скважины (а, сут-1) и по К-фактору. Применительно к дегазационным скважинам эти зависимости показаны на рисунках: темп снижения «а» - на рис. 2, к-фактор - на рис. 3.
По материалам ранее выполненных исследований [5, 6] получены исходные данные о приросте эффективности дегазации разрабатываемых пластов в зонах, где в результате влияния горного давления наблюдается разгрузка горных пород, изменяются физико-механические свойства угольных массивов и в разгружаемой зоне пласта повышается их газо-отдача в дегазационные скважины. При этом оценено влияние зон пригрузки и разгрузки пласта от горного давления (протяженность которых от линии очистного забоя достигает 80 м и 30 м соответственно) на количественные показатели метановыделения в дегазационные скважины, функционирующие в таких зонах пласта. Кроме того, проанализированы работы по выявлению протяженности зон различного напряженного состояния пласта перед очистным забоем по изменению давления в гидродатчиках, установленных в контрольных скважинах до начала влияния очистного забоя. Установлено, что размеры исследуемых зон как по изменению давления в гидродатчиках, так и по зависимостям дебита метана из дегазационных скважин в зоне влияния очистного забоя сопоставимы. Газовыделение в этих зонах оказывает дополнительное влияние, хотя и не столь существенное, на общий уровень снижения метаноносности пласта. Метод определения параметров предварительной дегазации разрабатываемых пластов скважинами, изложенный в нормативнометодических документах [7-10], является доста-
Рис. 1. Изменение интенсивности начального метановыделения до из угольных пластов Кузбасса (а) и Воркутского месторождения (б) в дегазационные скважины от содержания в углях фюзинита Р и витринита У
а, сут -•
о-------1---- I------)---.--1------'------1-------------!-----1
10 20 30 40 50 60 70 80 МкК, %
Рис. 2. Изменение коэффициента снижения газовыделения «а» во времени из угольных пластов в дегазационные скважины от содержания в углях фюзинита Р и витринита Уг: 1, 2 - шахты Кузбасса; 3, 4 - шахты Воркуты
10 20 30 50 60 70 мкК, °/о
Рис. 3. Изменение коэффициента к, характиризующего угольный массив как газоотдающую среду в дегазационные скважины (к-фактор) от содержания в углях фюзинита Р и витринита Уг: 1, 2 -
шахты Кузбасса; 3, 4 - шахты Воркуты
точно обоснованным и может быть применим на высокопроизводительных выемочных участках.
На пластах с высокой метанообильностью рентабельная добыча угля возможна только при использовании комплекса современных способов проветривания выемочных участков и средств снижения метановыделения из основных источников, в том числе и при применении высокоэффективных средств дегазации разрабатываемых пластов с эффективностью дегазации не менее 40-50 %. При этом нижнее значение упомянутой эффективности подземной дегазации пласта в настоящее время при нормативных параметрах достижима, а для верхнего (50 % и более) предложены научно обоснованные технико-технологические решения на основе эффективных гидроимпульсных методов воздействия на массив угля с целью повышения газоотдачи в дегазационные скважины [710]. При нынешней буровой технике уровень снижения газо-
Рис. 4. Изменение влажности и зольности основных компонентов петрографического состава углей от выхода летучих веществ:
1(+), 2 (•) - соответственно зольность фюзинита и витринита; 3(х), 4(о) -соответственно влажность фюзинита и витринита
носности неразгруженных пластов за нормативное время (180 суток) обычно
не превышает 3-5м3/т (25-35 %). Уровень снижения газоносности пласта, равный 35 %, на глубоких горизонтах при отработке пластов длинными лавами (250-300 м) достижим только на равномерно обуренных участках пласта с использованием современной буровой техники и учете особенностей угольного массива к газоотдаче в скважины предварительной дегазации, т.е. надежной информации о показателях газоотдачи неразгруженного угольного массива в дегазационные скважины [1-4, 7-10].
Пылеобразующая способность угольных пластов оценивается по количеству пыли, выделяющейся в атмосферу забоев, или содержанию в разрушенном (отбитом) угле частиц угля размером менее 70 мкм, способных переходить во взвешенное состояние. Содержание пыли в отбитом угле (%)
и удельное пылевыделение (г/т) сведены в каталог шахто-пластов по пылевому фактору [11]. Изменение влажности и зольности основных компонентов петрографического состава углей от выхода летучих веществ показано на рис. 4.
Способы, схемы и параметры предварительной дегазации разрабатываемых пластов угля в значительной степени предопределяются горнотехническими условиями и технологическими схемами разработки, принятыми на шахтах по комплексу геологических и горных факторов. В связи с этим, применительно к принятой на шахте технологической схеме ведения очистных работ выбирается схема пластовой дегазации с таким расположением скважин, бурение которых может быть обеспечено имеющейся буровой техникой. Для различных условий отработки пластов угля рекомендованы для применения научно обоснованные типовые схемы предварительной дегазации на высокопроизводительных выемочных участках с предпочтением схемам пластовой дегазации с использованием перекрещивающихся скважин. Варианты такой схемы с учетом возможностей отечественной и зарубежной буровой техники предложены для случаев отработки пластов угля на полную мощность и отработки мощных пластов по системе слой-пласт. Расстояние между скважинами применительно к конкретным условиям угольных шахт устанавливается расчетом по формулам, содержащим показатели газоотдачи угольных пластов в дегазационные скважины, геометрические исходные данные о выемочных участках и величину газообильности, обусловленную выделением метана из разрабатываемого пласта [7-10].
---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Забурдяев В.С. Перспективы дегазации при скоростном проведении подготовительных выработок //Научные сообщения ННЦ ГП-ИГД им. А.А.Скочинского. - М., 2001. - Вып. 318. - С. 130-141.
2. Рубан, А.Д., Забурдяев В.С. Метановая опасность и проблемы дегазации угольных шахт //Уголь - 1997. - №3. - С. 79-85.
3. Забурдяев, В.С. Дегазация разрабатываемого пласта - эффективный способ повышения производительности и безопасности работ в метанообильных шахтах // Горный информационно-аналитический бюллетень.
- МГГУ. - 2000. - №1. - С.149-154.
4. Забурдяев, В.С., Щеголев С.П., Лукьянов В.А. Результаты исследования газоотдачи и эффективности дегазации угольных пластов Кузнецкого бассейна // Научные сообщения ННЦ ГП-ИГД им. А.А.Скочинского. - М., 2002. - Вып. 321. - С. 26-34.
5. Забурдяев, В.С. Новые методы дегазации и управления газовыде-лением в угольных шахтах // Обзорная информация. ЦНИЭИуголь, вып. 2, М., 1990. - 65 с.
6. Сергеев, И.В., Забурдяев В.С. Эффективность дегазации разрабатываемых пластов на глубоких горизонтах // Экспресс-информация. ЦНИЭИуголь, 1977. - 20 с.
7. Методические положения по выбору и применению новых технологий дегазации и управления метановыделением на угольных шахтах / В.С. Забурдяев, А. Д. Рубан, И. В. Сергеев и др. - Люберцы-Макеевка, 2000. -117 с.
8. Методические основы проектирования дегазации на действующих и ликвидируемых шахтах / В.С. Забурдяев, А.Д. Рубан, Г.С. Забурдяев и др. - М.: ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского, 2002. - 316с.
9. Руководство по дегазации угольных шахт России. Люберцы, 2002.
- 216 с.
10. Положения по дегазации угольных шахт России. М., ИПКОН РАН, 2005. - 224 с.
11. Руководство по борьбе с пылью в угольных шахтах. - М.: Недра, 1979. С. 198-274.
і— Коротко об авторах------------------------------------------
Рубан Анатолий Дмитриевич - член-корр. РАН, ИПКОН РАН, Забурдяев Геннадий Семенович - кандидат технических наук, ИПКОН РАН,
Забурдяев Виктор Семенович - кандидат технических наук, ИП-КОН РАН.
