CC BY
23
К 70-летию КАФЕДРЫ «АЭРОЛОГИЯ И ОХРАНА ТРУДА»
^ Н.О. Каледина, Д..А. Мещеряков, : ......А.С. Семенов, 2000 '
УДК 622.411:553.17
Н.О. Каледина, Д.А. Мещеряков, А.С. Семенов
ОЦЕНКА ИНТЕНСИВНОСТИ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ИЗ СТАРЫХ ВЫРАБОТАННЫХ ПРОСТРАНСТВ
Г
азовый баланс любой шахты складывается из нескольких источников: га-зовыделение действующих выемочных участков, подготовительных и поддерживаемых выработок и газо-выделение старых выработанных пространств ранее отработанных выемочных полей. Объём и интенсивность поступления метана из действующих выработок может меняться во времени весьма значительно, т. к. зависит от объёма добычи, скорости проведения подготовительных выработок и протяженности поддерживаемых выработок, являющихся источниками газовыделения. Дебит метана из старых выработанных пространств в действующие горные выработки не подвержен резким колебаниям, потому что процессы активного сдвижения пород здесь практически завершены.
В «Руководстве по проектированию вентиляции угольных шахт» подробно описаны методы прогноза газовыделения и расчёта необходимого количества воздуха для проветривания выемочных участков, подготовительных выработок, поддерживаемых выработок, а также всех остальных потребителей. При этом практически не учитывается необходимость разбавления газа, выделяющегося из старых выработанных пространств, хотя это один из основных поставщиков метана в вентиляционные сети действующих шахт, отрабатывающих свиты высокогазоносных пластов. Особое значение этот источник газо-выделения приобретает в условиях, когда междупластья представлены крепкими породами (песчаниками), для которых характерна высокая проницаемость выработанных про-
странств. Именно такая ситуация наблюдается в Печорском бассейне.
На газообильных шахтах для достижения максимальных нагрузок на очистные забои широко используется прямоточная схема проветривания с подсвежением исходящей струи в сочетании с бесцеликовой отработкой. При всех неоспоримых достоинствах такой системы она имеет ряд недостатков. Выработанные пространства ранее отработанных выемочных полей, соединяясь в единое целое, занимают площади, многократно превышающие площади выработанных пространств действующих выемочных участков. Так как газовыделение выработанных пространств сохраняется длительное время, то при отработке каждого последующего участка требуется подавать всё больше воздуха для разбавления метана, выделяющегося из выработанного пространства действующего выемочного участка и старых выработанных пространств, находящихся в этой панели или блоке. Из-за значительных утечек воздуха, вызванных большим количеством перемычек и недостаточным их сопротивлением, в старых выработанных пространствах трудно достичь необходимых концентраций метана, поэтому их дегазация, как правило, не производится. В результате практически весь метан из старых выработанных пространств поступает в действующие горные выработки. Его доля в газовом балансе шахты сравнима, либо значительно превосходит объём газовыделения выемочных участков и подготовительных выработок.
Наблюдения, проведенные авторами, а также работы других исследователей [1,2,3] показывают, что доля газо-выделения старых выработанных пространств в газовом балансе шахт со-
ставляет около 40 %, а в отдельных случаях достигает 70 %.
В табл. 1-4 приведены усреднённые данные о доле дебита метана из старых выработанных пространств в газовом балансе шахт АО "Воркутауголь", из которых следует, что эффективность дегазации этого источника достаточно велика.
Применяемые на шахтах методики определения газового баланса шахт зачастую не предусматривают выделения доли старых выработанных пространств: эту составляющую просто относят на действующие участки. Если же строго следовать указаниям, приведенным в «Инструкции по определению газообильности шахт», то роль выработанных пространств вырисовывается совершенно определенно, и миф о неэффективности их дегазации развеивается.
Столь высокий удельный вес газо-выделения старых выработанных пространств обусловлен не только объективными, т.е. связанными с высокой га-зонасыщенностью горного массива, но и организационными причинами. К основным из них можно отнести следующие:
• законодательство по вопросам охраны окружающей среды, использованию природных ресурсов не стимулируют работы по полному использованию метана угольных месторождений;
• действующие нормативные документы, регламентирующие вопросы вентиляции и дегазации, не уделяют должного внимания проблеме снижения газовыделения из старых выработанных полей.
Название Шахты Газовыде- ление шахты, м3/мин Эффективность дегазации шахты % ( м3/мин) Газовыделение старых выработанных пространств, м3/мин Доля старых выр. пространств в газовом балансе шахты, % Эффективность дегазации старых выработанных пространств, % (м3/мин)
Центральная 122 З2 (З9) 61 50 7 (З.5)
Комсомольская 16З З7 (6О) 6О 37 О (О)
Северная 178 З6 (64) 6З 35 2 (О.7)
Заполярная 142 З4 (48) 19 13 О (О)
Южная 98 4О (З9) 49 50 О (О)
Аяч-Яга 82 З1(25) З2 39 5 (2)
Таблица 2
ДЕБИТ МЕТАНА ПО ШАХТЕ "ЦЕНТРАЛЬНАЯ" (ЗАКРЫТА ПОСЛЕ ВЗРЫВА В ДЕКАБРЕ 1997 Г.)
Год Газовыделение с учётом дегазации Газовыделение из старых выработанных пространств Метан удаляемый из шахты дегазацией Метан удаляемый дегазацией из старых выработанных пространств
м3/мин % м3/мин % м3/мин % м3/мин %
1992 121 1ОО 62 51 З6 ЗО 7 6
199З 118 1ОО 56 47 4З З6 9 8
1994 1З7 1ОО 65 47 41 ЗО 8 6
1995 111 1ОО 62 56 29 26 6 5
1996 86 1ОО 26 ЗО ЗЗ З8 7 8
Таблица З
ДЕБИТ МЕТАНА ПО ШАХТЕ "КОМСОМОЛЬСКАЯ"
Год Газовыделение с учётом дегазации Газовыделение из старых выработанных пространств Метан, удаляемый из шахты дегазацией Метан, удаляемый дегазацией из старых выработанных пространств
м3/мин % м3/мин % м3/мин % м3/мин %
1992 2О8 1ОО 6З ЗО 75 З6 О О
199З 185 1ОО 6О З2 6З З4 О О
1994 157 1ОО 65 41 54 З4 О О
1995 14О 1ОО 59 42 5З З8 О О
1996 126 1ОО 52 41 5О 4О О О
• использование бесцеликовой системы отработки не позволяет в течение многих лет, до окончания отработки панели, блока или крыла изолировать от действующих горных выработок старые выработанные пространства площадью несколько квадратных километров, тем более, что технология и материалы, используемые для сооружения изолирующих перемычек, устарели и не позволяют обеспечить необходимое сопротивление перемычек;
Метан, выделяющийся при ведении горных работ, рассматривается как сопутствующий вредный фактор, а не как потенциальный энергоноситель, что не стимулирует разработку технических решений по его добыче и более полному использованию. Подтверждением этого может служить то, что запасы метана не учитываются в топливном балансе угледобывающей отрасли как энергоноситель. В связи с этим и дегазация рассматривается не как способ добычи метана, а только как возможность снижения
газовыделения в горные выработки для достижения необходимых нагрузок на выемочных участках.
Такой подход правомерен лишь отчасти. Как сопутствующая вредность, метан должен рассматриваться только в том количестве, которое действительно не может быть каптировано и полезно использовано. Несмотря на то, что эффективность дегазации выемочных участков АО "Воркутауголь" достигает 70-80 %, эффективность дегазации шахт в целом составляет не более 40 %, при этом только 30 % капти-
Год Газовыделение с учётом дегазации Газовыделение из старых выработанных пространств Метан, удаляемый из шахты дегазацией Метан, удаляемый дегазацией из старых выработанных пространств
м3/мин % м3/мин % м3/мин % м3/мин %
1976 159 1ОО 29 18 7О 44 О О
1977 1З7 1ОО 22 16 5О З5 О О
1978 146 1ОО 2З 16 62 42 О О
1979 141 1ОО 19 14 54 З8 О О
198О 151 1ОО 28 19 5О ЗЗ О О
1981 144 1ОО З1 22 5О З5 О О
1982 14З 1ОО ЗО 21 44 З1 О О
198З 1З7 1ОО 25 18 45 ЗЗ О О
1984 1ЗО 1ОО 4О З1 З6 28 О О
1985 1О8 1ОО 25 2З З5 З2 О О
1986 1З8 1ОО ЗО 22 59 4З О О
1987 1З2 1ОО 2З 17 58 44 О О
1988 146 1ОО 27 19 67 46 О О
1989 157 1ОО 26 17 76 48 О О
199О 162 1ОО ЗО 19 78 48 О О
1991 151 1ОО З2 21 59 З9 О О
1992 174 1ОО 24 14 8З 48 О О
199З 16О 1ОО 19 12 58 З6 О О
1994 1З5 1ОО 17 1З З8 28 О О
руемого метана используется для различных нужд, что составляет приблизительно 12 % от абсолютного га-зовыделения шахт. Остальные 88 % выбрасываются в атмосферу, усиливая парниковый эффект [З].
В настоящее время несколько активизировалась работа по более полному использованию метана, который удаляется дегазационными системами и выбрасывается в атмосферу. Решению этого вопроса посвящено много статей, в том числе и в средствах массовой информации. Но практически не затрагивается вопрос о снижении газовыде-ления из старых выработанных пространств ранее отработанных выемочных полей, объём поступления метана из которых в действующие выработки зачастую превосходит газовыделение выемочных участков и подготовительных выработок вместе взятых, а эффективность дегазации в целом по шахте при этом близка к нулю. Высокий процент извлекаемого метана определяется высокоэффективной дегазацией действующих выемочных участков.
За один лишь 1996 год из старых выработанных пространств действующих шахт ОАО "Воркутауголь" выделилось около 180 млн. м3 метана на сумму около $19.8 млн. Безусловно, весь его каптировать невозможно, но если на некоторых шахтах решить эти проблемы хотя бы частично, то экономический эффект будет весьма ощутимым. На первом этапе это позволит сократить количество воздуха, подающегося в шахты, уменьшить затраты на его подачу и подогрев. Кроме того, в результате повысится метановзрывобезопасность ведения горных работ, что, в свою очередь, дает как экономический, так и социальный эффект.
В сложившейся ситуации полезно обратиться к опыту решения аналогичных проблем за рубежом.
Во Франции накоплен большой опыт по каптажу метана из действующих шахт, что имеет большое значение не только с точки зрения снижения его содержания в шахтном воздухе, но и в плане получения дополнительной энергии.
Первый эксперимент по каптажу метана из закрытой шахты во
Франции проводился в 1977 году в северной части бассейна Нор и Па-де-Кале. С поверхности были пробурены четыре скважины глубиной от 110 до 220 м, пересекшие старые горные работы, где газовьщеление достигало 21,6 м3/мин. Концентрация метана в смеси достигала 70 %. Общий объём извлечённого метана из закрытых шахт бассейна Нор и Па-де-Кале только в 1985 году составил 55 млн. м3 (104,6 м3/мин) на сумму более $ 6 ,0 млн. Там же в средине 80-х годов вели работы по внедрению технологии каптажа метана из отработанных шахт непосредственно через ствол, для чего подготовку начинали ещё в период эксплуатации.
С конца 70-х годов начали также проводить работы по извлечению метана из старых горных работ действующих шахт. Большое внимание уделялось качеству изоляции: была определена конструкция перемычек и требования к местам их установки - в устойчивой части выработок с мало деформированной крепью и слабой трещиноватостью боковых пород. Перед возведением каждой перемычки производилась
обработка зоны герметизирующими составом на расстоянии десять метров по обе стороны от неё. После этого возводилась литая гипсовая перемычка толщиной 2,65 м, т.к. по действующим правилам её толщина должна быть не менее половины ширины выработки. Наружная поверхность перемычки и линия её контакта с боковыми породами также обрабатывались герметизирующим составом. Все трубопроводы, предназначенные для каптажа и находившиеся в погашаемых выработках, для обеспечения их целостности были заведены в стальные трубы и зарыты на глубину 0,5 м. Принятая технология возведения перемычек позволила обеспечить их высокую прочность и надежную изоляцию выработанных пространств. По результатам замеров, аэродинамическое сопротивление
перемычек составило 0о 1100 до 6400 кЦ. Количество метана, каптированного на этом участке после изоляции старых работ в течение почти 3-х лет составило 9 млн. м3. Продажная стоимость этого объёма - $ 1,0 млн, при капитальных затратах на каптаж $ 160714. Средний дебит метана за это время составил 6,5 м3/мин.
В Австралии из закрытой после взрыва газа в 1942 году шахты "Бэлмайн" глубиной 1000 м в течение 25 лет каптировали 365 млн. м3 (средний дебит 33.5 м3/мин) газа содержащего 50 %-60 % метана и 3 % этана на сумму более $ 40 000
000.
В Сааре (Г ермания) из закрытой в 1959 году шахты "Святая Барбара" до 1985 года извлечено 265 млн. м3 метана (средний дебит 20.2 м3/мин) на сумму $ 29 150 000.
В заключение можно сделать следующие выводы.
1. Каптаж метана из старых горных работ действующей шахты представляет интерес и как способ уменьшения газовыделения в горные выработки, позволяющий сократить затраты на подачу воздуха в шахты, и как источник дохода.
2. Участок, подлежащий изоляции, желательно выбирать до окончания его отработки, что позволит разместить перемычки в зонах с плотными боковыми породами, менее подверженных влиянию очистных работ.
3. Объём выработанных пространств, из которого предполагается извлекать метан, должен быть изолирован возможно меньшим количеством перемычек.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Калимов Ю.И., Разварин Д.Е., Зимаков Б.М. Опыт управ- 3. Пучков Л.А., Каледина Н.О. Динамика метана в выра-
ления газовыделением выемочного участка. Сыктывкар 1972. ботанных пространствах шахт. М., Изд-во МГГУ, 1995.
2. Разработка угольных пластов в шахтах с высоким уровнем выделения метана и газодинамическими явлениями за рубежом. ЦНИЭИуголь, выпуск 9, М. 1988.
/
Каледина Нина Олеговна -професс 1/П «Аэрология и охрана труда», Московски фк ' ВТЛПЭХ / Мещеряков Д.А. -инженер, «Экотехиш ::::::: У» 1VI / Семенов А.С. — аспирант, Московский г / ор, доктор технических наук, заведущая кафедрой ш государственный горный университет. }ест». :)сударствешшый горный университет. /
/
/
