CC BY
56
А.Д. Рубан, В.С. Забурдяев, Г.С. Забурдяев
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ГАЗООТДАЧИ И ПАРАМЕТРОВ КОМПЛЕКСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДЕГАЗАЦИИ И УВЛАЖНЕНИЯ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ*
Согласно действующим в угольной промышленности России нормативным документам вопросы повышения производительности, обеспечения безопасности и санитарногигиенических условий труда шахтеров играют важную роль. Среди основных нормативных требований, предъявляемых к процессам подземной разработки высокогазоносных пластов угля, являются профилактические работы по предотвращению предпосылок к вспышкам и взрывам метана и угольной пыли, а также обеспечение здоровых условий труда, исключающих воздействие на работающих опасных и вредных производственных факторов, порождающих травматизм, аварии и заболевание шахтеров, в том числе пневмокониозом, 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 - сероводород - воздух и все возможные 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 каждая смесь в отдельности находится вне пределов взрывного распространения пламени. Взрывы метановоздушной смеси инициируют взрывы угольной пыли, а взрывы угольной пыли сопровождаются разрушениями горных выработок и большими человеческими жертвами.
Актуальность тематики 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
*) Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 05-05-65062)
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 будут нагрузки на очистные забои по газовому фактору, ниже себестоимость угля и больше прибыль от его реализации. Поэтому весьма важным является вопрос научного обоснования методов определения газоотдачи угольных пластов угля, параметров дегазации разрабатываемых пластов скважинами, пробуренными из горных выработок, и параметров увлажнения угольного массива с учетом газодинамических характеристик пластов, петрографического и вещественного составов углей и их влияния на величины показателей газоотдачи угольных пластов в дегазационные скважины и численные значения пылеобразующей способности пластов угля при очистной их выемке на высокопроизводительных выемочных участках.
Решение поставленного вопроса, прежде всего, в части реализации на практике результатов исследования в комплексе технологических решений по эффективной дегазации и увлажнению разрабатываемых угольных пластов осложняется наличием в отрасли взаимонеувязанных нормативных документов по дегазации [1, 2] и увлажнению [3] угольных пластов. В первом из них параметры дегазации разрабатываемых пластов угля рекомендовано устанавливать с учетом их газодинамических характеристик, газоотдачи в пластовые дегазационные скважины и потребной производительности очистного забоя, а во втором расстояние между скважинами для увлажнения массива угля, в том числе и в случае предварительной дегазации пласта, принимается в зависимости от глубины герметизации устьев скважин, которая должна быть не менее 10 м. При таком расстоянии между скважинами эффективность дегазации пласта будет весьма низкой, что не позволит обеспечить высокую нагрузку на лаву по газовому фактору [4, 5].
В связи с этим в результате выполненных исследований установлены:
- исходные данные о газоотдаче угольных пластов и запыленности воздуха в лавах, параметры дегазации и увлажнения угольных пластов как при самостоятельном применении, так и в комплексе последовательных мероприятий по дегазации и увлажнению пластов угля, в том числе на высокопроизводительных выемочных участках;
- уровень снижения газоносности отрабатываемых пластов скважинами обычно не превышает 3-5 м3/т (30-35 %), что явно недостаточно для обеспечения высоких нагрузок на очистные забои при отработке высокометаноносных пластов угля;
- способы, схемы и параметры предварительной дегазации разрабатываемых пластов угля скважинами, пробуренными из горных выработок, и параметры увлажнения массива угля, которые предопределяются горнотехническими условиями и технологическими схемами разработки угольных пластов, принятыми с учетом комплекса геологических и горнотехнических факторов;
- параметры дегазации разрабатываемых угольных пластов скважинами, пробуренными из горных выработок, которые необходимо определять с учетом горно-геологической информации о пластах угля, включая глубину их залегания и мощность, крепость угля, выход летучих веществ, вещественный и петрографический состав углей, производительность очистного комбайна, газодинамические и физико-механические свойства массива;
- влияние газодинамических и физико-механических свойств массива на динамику метановыделения из угольного пласта в дегазационные скважины, функционирующие в природных условиях залегания пласта, в зонах опорного давления и разгрузки массива угля очистным забоем, установлена протяженность этих зон от линии забоя лавы;
- исходные данные и зависимости для прогноза показателей газо-отдачи угольных пластов и определения расстояния между скважинами, пробуренными по разрабатываемому пласту, с учетом основных природных и горнотехнических факторов;
- влияние вещественного состава углей на интенсивность начального метановыделения в пластовые и дегазационные скважины и темп его снижения во времени, а также качественная связь этих величин от содержания в углях фюзинита и витринита;
- исходные данные и зависимости для определения пылеобразующей способности угольных пластов при очистной их выемке с учетом содержания в углях петрографических компонентов, пористости и влагоемкости углей;
- зависимости и параметры увлажнения угольных пластов через пластовые дегазационные скважины при применении комплексной технологии дегазации и увлажнения пластов угля с учетом аналитической (природной) и рабочей влажности угольных
пластов, их газоносности, содержания частиц пыли в разрушаемом угольном массиве и вынимаемой мощности пласта.
По результатам исследования газодинамических процессов, протекающих в угольных пластах, установленных зависимостей га-зоотдачи пластов угля в дегазационные скважины, а также по результатам исследования пылеобразующей способности угольных пластов и установленных зависимостей удельного пылевыделения от глубины залегания и разработки пластов угля, содержания пыли в разрушаемом угольном массива от газоносности пласта, его мощности и рабочей влажности пласта разработаны Методические указания по определению газоотдачи и параметров комплексной технологии дегазации и увлажнения угольных пластов на высокопроизводительных выемочных участках с учетом вещественного состава углей, газодинамических и физико-механических свойств массива.
В Методических указаниях под газоотдачей угольных пластов понимается способность угольного массива отдавать метан в скважины, пробуренные в плоскости дегазируемого пласта угля. В количественном выражении она характеризуется показателями газо-отдачи пласта, то есть численными значениями интенсивности начального метановыделения в скважины и темпом его снижения во времени, а под комплексной технологией дегазации и увлажнения угольных пластов - поочередное выполнение мероприятий (операций) по извлечению метана из угольных пластов через пробуренные в плоскости пласта дегазационные скважины и последующему после дегазации увлажнению угольного массива через отключенные от вакуумной системы дегазационные скважины.
Для определения показателей газоотдачи разрабатываемых угольных пластов в дегазационные скважины необходимы следующие исходные данные: глубина горных работ от земной поверхности Н, м; глубина зоны газового выветривания Н0, м; мощность пласта т, м; метаноносность пласта х, м3/т с.б.м; выход летучих веществ У1^, %; диаметр скважин 1, м; начальное удельное ме-тановыделение из пласта в подготовительную выработку на дегазируемом участке G0, м3/(м2-сут) или в дегазационную скважину g0, м3/(м2-сут); коэффициент, характеризующий газодинамические и фильтрационные свойства угольного пласта на участке дегазации к, м2/м3.
Показатели газоотдачи разрабатываемых угольных пластов в дегазационные скважины, оцениваемые величиной интенсивности начального метановыделения g0 м3/(м2-сут), и коэффициентом а, сут -1, снижения во времени метановыделения, определяются по следующим зависимостям:
- при прогнозе начального удельного метановыделения
g0 = в-х, (1)
где в - эмпирический коэффициент, величина которого находится из выражения
в=ттпт-; <2>
16 + 12т
- при наличии результатов газовоздушных съемок в подготовительной выработке на дегазируемом участке пласта
^ =п~~(^0; (3)
2т
- при прогнозе величины темпа снижения во времени метановыделения из угольного пласта в скважины предварительной дегазации
а = Ь - е¥1а/ , (4)
где Ь и с - эмпирические коэффициенты, равные соответственно
0,042 и 8,8-10-4 при У1а/< 29 % и 0,025 и 3,9-10-4 - при У1а/> 29 %;
- при наличии фактических данных о выделении метана в дегазационные скважины или подготовительные выработки
а = ^0, (5)
где к - коэффициент, характеризующий газодинамические и фильтрационные свойства угольного пласта («к-фактор» пласта при его предварительной дегазации скважинами), м2/м3
к = 6,2510-5 т Н, (6)
где Н - глубина залегания угольного пласта от верхней границы метановых газов, м
Н = Н - Н0. (7)
Зависимости (1-6) являются исходными для расчета параметров предварительной дегазации разрабатываемых угольных пластов скважинами.
Расстояние (Яс, м) между параллельно-одиночными скважинами предварительной дегазации пласта рассчитывается по формуле
1!с тд — 1п (ат +1)
К = ^-----------, (8)
I - т -у - - а
оч / дег.пл ±пл
где 1с - полезная длина скважины, м; тд - дегазируемая скважинами мощность пласта, м. На пластах средней мощности обычно принимается равной мощности т пласта; т - продолжительность предварительной дегазации пласта, сут (согласно нормативным документам принимается равной 180 сут); 1оч - ширина дегазируемого выемочного столба (длина лавы), м; у - объемная масса угля, т/м3; к/дег.пл - необходимый коэффициент предварительной дегазации угольного пласта, доли ед.; дпл - метановыделение из разрабатываемого пласта в призабойное пространство лавы, м3/т.
Расстояние между кустами перекрещивающихся скважин, пробуренных отечественными буровыми станками, устанавливается по формуле (8), включающей коэффициент ки интенсификации газовыделения в систему скважин, состоящую из параллельных очистному забою и ориентированных на него скважин под углом 35-40°. При крепости угля / (доли ед,) по М.М. Протодьяконову коэффициент интенсификации газоотдачи в перекрещивающиеся скважины в сравнении с традиционными параллельно-одиночными скважинами определяется по зависимости
ки = 2,8 - 1,31/ (9)
При крепости угля />1,3 целесообразна схема предварительной дегазации разрабатываемых пластов параллельными очистному забою скважинами, а при крепости угля /<1,3 рекомендуется схема предварительной дегазации пласта системой перекрещивающихся скважин, состоящей их серии скважин, пробуренных параллельно линии очистного забоя, и серии скважин, ориентированных на него. Во втором случае для последовательного выполнения мероприятий по дегазации пласта и его увлажнению выемочный участок необходимо делить на блоки, отделенные целиком угля.
Мероприятия по технологии увлажнения угольных пластов выполняются после завершения работ по их дегазации. Параметры увлажнения угольных пластов определяются с использованием следующих зависимостей.
Удельное пылевыделение ду.п. (г/т) с глубиной разработки угольных пластов Н (м) в пределах 100-600 м определяется по формуле
ду.п. = 0,456Н + 143 (10)
Содержание пыли апл (%) в разрушаемом пласте угля, зависящее от метаноносности пласта х (м3/т с.б.м), находится по эмпирическим зависимостям:
- для условий шахт Кузбасса
апл = 0,155х- 0,25, (11)
- для условий Воркутского месторождения
апл = 0,149х + 0,2. (12)
При заданной метаноносности угольного пласта, принятой равной 13 м3/т с.б.м [1], до которой необходимо снижать природную, требуемый коэффициент К/уел (доли ед.) увлажнения угольного массива ко времени выемки угля должен составлять
Кел = 1 - ^,
а
пл
(13)
где апл, апл - содержание пыли в разрушаемом угольном пласте при его допустимой по фактору дегазации минимальной величине ме-таноносности, равной 13 м3/т с.б.м, и при его природной метаноносности (х>13 м3/т с.б.м) соответственно, %.
Рабочая влажность угольных пластов № (%) определяется опытным путем или рассчитывается по формуле
(14)
А - а„„
Жр =
где В и А - эмпирические коэффициенты (табл. 1).
Таблица 1
Значения коэффициентов уравнения (14)
Пласт угля Коэффициент
А В
Мощный 4,58 2,33
Тройной 15,42 23,64
Четвертый 16,6 37,14
Пятый 2,88 4,86
Фактический коэффициент Кфуел (доли ед.), определяющий эффективность увлажнения угольного пласта, находится из выражения
Кф =
уел
(15)
Я = ■
(16)
где Же - естественная влажность угля в массиве, %.
Количество жидкости Я (м3), подаваемой в пласт угля через скважину, при параллельно-одиночной схеме расположения дегазационных скважин должно составлять [6]
1,1 (1с - 1г ) КстЯЖГ 1000 ,
где 1с, 1г - соответственно полезная длина скважины и глубина ее герметизации, м; дж - удельный расход жидкости [3], зависящий от марки угля, л/т (табл. 2).
Давление Рпр (МПа) нагнетания жидкости в пласт угля должно исключать гидроразрыв пласта и предлагается рассчитывать по формуле [7]
Р = Р + а , (17)
пр 10
где Рк =,1Р20 + 2,7 Р о Н, (18)
Рк, Рк0 - численное значение контактной прочности образца угля под нагрузкой и без нагрузки соответственно, МПа.
Эффективность увлажнения угольных пластов Куел (доли ед.) оценивается по формуле
Кут = 1 -
1 'у.п
(19)
где 1уп - удельное пылевыделение из угольного пласта после его увлажнения, г/т.
Таблица 2
Удельный расход жидкости на увлажнение угля в массиве
Марка угля Д, Г ГЖ, Ж КЖ, К ОС Т ПА А
Удельный рас- 25- 20- 10- 10- 10- 10- Определяется
ход жидкости, л/т 30 25 20 20 15 20 опытным путем
Практическая реализация мероприятий по комплексной технологии дегазации и увлажнению угольных пластов, включающей рекомендации по схемам предварительной дегазации разрабатываемых пластов угля, методы определения параметров дегазации и увлажнения угольного массива, позволит повысить безопасность работ в угольных шахтах с высокими метановыделением и пылеобразующей способностью газоносных пластов со взрывчатыми свойствами угольной пыли.
---------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Положения по дегазации угольных шахт. - М.: ИПКОН РАН, 2006. -214 с.
2. Методические рекомендации о порядке дегазации угольных шахт (РД-15-09-2006). Серия 05. Выпуск 14/ колл. авторов. - М: Открытое акционерное общество «Научно-технический центр по безопасности в промышленности», 2007. -256 с.
3. Инструкция по борьбе с пылью и пылевзрывозащите. - Липецк: Липецкое издательство Роскомпечати, 1997. - 96 с.
4. 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. - 316 с.
5. Метан в шахтах и рудниках России: прогноз, извлечение и использование /А. Д. Рубан, В.С. Забурдяев, Г.С. Забурдяев, Н.Г. Матвиенко. - М.: ИПКОН РАН, 2006. - 312 с.
6. Руководство по борьбе с пылью в угольных шахтах. 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Недра, 1979, - 319 с.
7. Трубицина Н.В. Развитие научных основ процессов пылеобразования и фрикционного воспламенения метановоздушных смесей для нормализации атмосферы угольных шахт. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. М., 2002. - 52 с.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------------
Рубан Анатолий Дмитриевич - чл.-корр. РАН, доктор технических наук, профессор,
Забурдяев Виктор Семенович - кандидат технических наук,
Забурдяев Геннадий Семенович - кандидат технических наук,
Институт проблем комплексного освоения недр РАН.
----------------------------------------------------- © В.С. Забурдяев, 2007
УДК 622.831.322
В.С. Забурдяев
