CC BY
66
© А.П. Веселов, А.Н. Гавриш, В.В. Скатов, А.А. Эннс, 2002
УДК 622.817.9:661.184.35
А.П. Веселов, А.Н. Гавриш, В.В. Скатов, А.А. Эннс
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПОДЗЕМНОЙ ДЕГАЗАЦИИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ, ДОБЫЧИ И УТИЛИЗАЦИИ ШАХТНОГО МЕТАНА ШАХТ ОАО «ВОРКУТАУГОЛЬ»
В
настоящее время в состав ОАО «Воркутауголь» входят шесть шахт: «Северная», «Воркутинская», «Аяч-Яга», «Комсомольская», «Октябрьская», «Заполярная».
По результатам работы в 2000 г. все шахты, за исключением шахты «Октябрьская», отнесены к сверхкатегор-ным по газу (метану). Относительная га-зообильность сверхкатегорных шахт Воркуты колеблется от 33,7 м3/т (шахта «Комсомольская») до 88,2 м3/т (шахта «Северная»).
На четырех шахтах ОАО «Воркутауголь» эксплуатируются поверхностные вакуум-насосные станции: на шахте «Северная», «Воркутинская» и «Комсо-мольс-кая» по две, на шахте «Заполярная» одна. Шахта «Аяч-Яга» не имеет своей вакуум-насосной станции. Кап-тирование метана на этой шахте осуществляется при помощи ВНС шахты «Северная».
На шахтах ОАО «Воркута-уголь» отрабатываются пласты: Мощный
(«Комсомольская»), Тройной («Северная», «Воркутинская», «Комсомольская», «Заполярная»), Четвертый («Северная», «Ворку-тинская», «Комсомольская», «Заполярная») Воркутского месторождения. Шахта «Аяч-Яга» отрабатывает пласты Н4 и J4. Шахта «Октябрьская» отрабатывает пласт Мощный Воргашорского месторождения.
Так как пласт Тройной относится к опасным по внезапным выбросам угля и газа, то первым в свите угольных пластов отрабатывается пласт Четвертый, являющийся защитным для пласта Тройного. При принятом порядке отработки угольных пластов наибольшую газообильность имеют лавы по пласту
Четвертому. С учетом каптируемого дегазацией метана она достигает 55-60 м3/мин.
На всех шахтах ОАО «Воркутауголь» большое применение нашла дегазация подрабатываемых угольных пластов-спутни-ков. Это обусловлено тем, что основная доля газовыделения на выемочных участках приходится на эти пласты. А газовыделение из разрабатываемого первым в свите пласта "Четвертого" не превышает 10 % от общего. Столько же приходится и на метановыделение из вмещающих пласт пород.
На шахтах ОАО «Воркута-уголь» принята столбовая система подготовки длинными столбами по простиранию или по падению. Схемы проветривания выемочных участков прямоточные с подсвежением по конвейерному штреку. Выпуск исходящей с выемочного участка вентиляционной струи осуществляется по поддерживаемой на границе с выработанным пространством выработке.
При таком способе отработки и проветривания выемочных столбов дегазацию верхних пластов-спутников необходимо осуществлять только после их разгрузки. Поэтому на расстоянии от 120 м (шахта Воркутинская) до 300 м (шахта Северная) от линии очистного забоя бурятся кусты дегазационных скважин. Кусты, как правило, состоят из 3-4 скважин. Для бурения дегазационных скважин в выработке делаются специальные ниши. При бурении дегазационных скважин их устье находится вне зоны разгрузки трещиноватости вышележащих пород, что снижает подсосы свежего воздуха и увеличивает концентрацию метана в метановоздушной смеси.
Параметры заложения дегазационных скважин таковы, что скважины пе-
ресекают ближайший к пласту Четвертому пласт Тройной. Скважины обсаживаются от устья за пласт Тройной на длину более 30 м. Герметизация скважин производится методом шламования в процессе их бурения.
Принятая технология бурения дегазационных скважин позволяет добиться того, что дебит ближайших к очистному забою скважин достигает 10 м3/мин при концентрации метана в смеси от 90 до 100 %, а с выемочного участка позволяет удалять до 40 м3/мин метана. Концентрация метановоздушной смеси в участковом дегазационном трубопроводе не снижается ниже 80 %. На выемочном участке в работе может находиться до 10 дегазационных скважин, по мере отхода линии очистного забоя дебит метановоздушной смеси в скважинах снижается, и они отключаются. Для контроля параметров работы дегазации на скважинах оборудованы замерные станции. Замерные станции оборудованы также на участковых и магистральных трубопроводах.
В ОАО «Воркутауголь» на выемочных участках по пласту Четвертому для снижения их метанообильности на протяжении ряда лет велись работы по дегазации нижележащих надрабатывае-мых пластов-спутников. Необходимость ведения этих работ обусловлена тем, что на расстоянии 30-35 м от пласта Четвертого залегает пласт Пятый мощностью 1 м. Как показывает практика, наибольшее метановыделение с пласта Пятого происходит в 40-60 м от линии очистного забоя лав по пласту Четвертому. Бурение дегазационных скважин на этом расстоянии от лавы невозможно, так как на этом участке ведутся работы по восстановлению сечения поддерживаемой за лавой выработки. Увеличение расстояния бурения дегазационных скважин на пласт Пятый снижает эффективность их использования. Максимальный дебит метана из дегазационных подающих скважин составлял около 1 м3/мин при концентрации в метановоздушной смеси не более 4045 %. Следует отметить тот факт, что данные скважины заполнены водой, что также затрудняет их эксплуатацию.
Эффективность дегазации выемочных участков по пласту Четвертому на шахтах ОАО «Воркутауголь» достигает
Шахта Удаляется метана, м3/мин Эффективность дегазации, %
Вентиляцией Дегазацией Всего
Северная 45,1 88,9 134 66
Воркутинская 91,2 73,8 165 55
Аяч-Яга 64,4 30,6 95 32,2
Комсомольская 48 110 158 30
Заполярная 45 62,1 107,1 42
80 %. Этот показатель близок к его максимально возможному значению, то есть каптируется почти 100 % метана, содержащегося в вышележащих пластах-спутни-ках. Вторым по газообильности среди пластов Воркутского месторождения является пласт Мощный. В настоящее время по пласту Мощному в ОАО «Ворку-тауголь» работает одна лава -622-с шахты «Комсо-мольская». Принятая схема дегазации выемочных участков по пласту Мощному аналогична схемам дегазации по пласту Четвертому. Эффективность дегазации этих лав достигает 75 %.
На шахте Северная также проводится дегазация выемочных участков по пласту Тройному, ранее подработанному горными работами по пласту Четвертому. Дегазационные скважины на этих участках забурены только из фланговых вентиляционных выработок в вер-хние пласты-спутники. На выемочных участках по пласту Тройному удается каптировать 15-18 м3/мин метана, при этом эффективность дегазации достигает 85 %.
На шахте «Аяч-Яга» в лавах по пласту J4 наряду с фланговой дегазацией применяется дегазация набегающими скважинами, забуренными в 30-40 м от линии очистного забоя. Это обусловлено тем, что наиболее газоносные пропласт-ки залегают в непосредственной близости от разрабатываемого пласта, и они обрушаются в непосредственной близости от линии очистного забоя.
Для снижения содержания метана в исходящих вентиляционных струях с пластов и с крыльев шахтных полей осуществляется дегазация старых выемочных полей. Дебит и концентрация метана в скважинах, пробуренных для этих целей, меньше, чем в скважинах на действующих выемочных участках. Дегазация старых выемочных полей снижает эффективность дегазации по шахте в целом, но позволяет дополнительно каптировать значительное количество метана.
Показатели эффективности дегазации шахт по состоянию на 2001 г. приведены в таблице.
Большое внимание в ОАО «Воркутауголь» уделяется сетям дегазационных трубопроводов шахт.
Шахтные дегазационные сети имеют большую протяженность. Так, на шахте «Комсомольская» общая протяженность дегазационного трубопровода достигает 50 км, на шахте «Северная» -
35 км. Только в 2000 г. на шахтах ОАО «Воркутауголь» было проложено 14,2 км дегазационного трубопровода, в том числе на шахте «Комсомольская» 5,2 км, «Аяч-Яга» 3,6 км. Большая протяженность дегазационного трубопровода от выемочных участков до поверхностных вакуум-насосных станций и большой объем транспортируемой по нему метановоздушной смеси вызвали необходимость увеличения диаметров прокладываемого дегазационного трубопровода в пределах выемочных участков диаметром не менее 273 мм, магистрального диаметром не менее 325 мм. Дегазационные сети шахт позволяют в настоящее время обеспечить в устье дегазационных скважин выемочных участков вакуум до 130 мм рт. ст.
Для изучения фактического состояния сетей дегазационных трубопроводов на шахтах периодически проводятся вакуум-газовые съемки. Последние были выполнены в 19992000 гг. силами лаборатории вентиляции и дегазации угольных шахт института ПечорНИИпроект. По результатам данных съемок шахтам выданы рекомендации по развитию дегазационных сетей в соответствии с планами развития горных работ.
ОАО «Воркутауголь» в 2000 г. финансировало, а в 2001 г. внедрило компьютерную задачу по расчету пропускной способности дегазационной сети. Эта задача позволяет при заданных параметрах дегазационных скважин получить распределение метановоздушной смеси в дегазационном трубопроводе, определить необходимые диаметры трубопроводов при составлении проектов дегазации, анализировать состояние сети дегазационных трубопроводов.
Вакуум-насосные станции шахт ОАО "Воркутауголь" в соответствии с их технологическими схемами оборудованы водокольцевыми вакуум-насосами типа ВН, ЖВН. Все вакуум-насосные станции имеют достаточный резерв по производительности.
Высокое содержание метана в каптируемой метановоздушной смеси по-
зволяет использовать метан в качестве топлива для шахтных котельных, сушильных установок обогатительных фабрик, шахтных воздухонагревателей и установок по получению электрической энергии.
Утилизация шахтного метана на шахтах ОАО "Воркутауголь" начата в 1975 г. В первые годы утилизировалось всего от 4,6 до 8,1 млн м3 метана в год. С вводом в эксплуатацию новых мощностей по производству тепловой энергии объемы утилизированного метана росли и достигли своего максимума в 1992 г. - 47,2 млн м3 в год. В последние годы на четырех шахтах ОАО «Воркутауголь» утилизируется около 31 млн м3 метана в год. 35 % от общего количества, или 11 млн м3, в этом объеме приходится на шахту «Северная».
Начало утилизации метана было положено на шахте «Ворку-тинская», когда на метан был переведен котел ДКВ-10-13. В настоящее время утилизация каптированного метана осуществляется в четырех шахтных котельных (в 12 паровых котлах: на шахте "Воркутинская" - 4, "Запо-лярная" - 2, "Комсомольская" -6) суммарной мощностью 55 Гкал/ч. Технологические схемы подачи метана от вакуум-насосной станции в котельные технически полностью отработаны. На данном участке трубопровода дополнительно устанавливаются огнепрегради-тели, каплеуловители и клапаны-отсе-катели. Последние предназначены для прекращения подачи метановоздушной смеси в котельную при снижении ее концентрации ниже допустимого предела. Дальнейшее расширение области использования метана - это перевод на газ первой в отрасли сушильной установки обогатительной фабрики шахты «Северная» мощностью 30 Гкал/ч. Технологическая схема установки позволяет сушить уголь фракциями 0-13 мм во встречном потоке продуктов сгорания метана, имеющих температуру 800 С.
Одним из энергоемких объектов на шахте является калориферная установка. Вопрос использования метана для обогрева воздуха, поступающего в шах-
ту, имеет важное значение. Для решения этой задачи на шахте «Северная» был построен автономный газовый воздухонагреватель мощностью 18 Гкал/ч при количестве подаваемого в шахту воздуха 15000 м3/мин. Газовый воздухонагреватель обеспечивает подогрев данного количества воздуха при температуре от -55 °С до +2 °С.
В 2001 г. на шахте "Ворку-тинская" введено в эксплуатацию топочное устройство термоаэроклассификатора угля мощностью 10 Гкал/ч. В 1999 г. на шахте «Северная» незначительное время эксплуатировалась газомоторная установка по выработке электроэнергии "Caterpillar" мощностью 1000 кВт. Утилизация метана позволила ОАО «Воркутауголь» в 2000 г. сэкономить 38,3 тыс т условного топлива, в том числе по шах-
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
там, тыс. т: «Северная» 11, «Комсомольская» - 8,2 т, «Воркутинская» - 8,5 т и «Заполярная» 6,6.
Говоря о перспективах развития подземной дегазации угольных пластов, добычи и утилизации метана на шахтах ОАО «Воркута-уголь» следует отметить, что совершенствование дегазации шахт, увеличение объемов каптируемого метана в первую очередь связано с развитием шахтных дегазационных сетей. Их реконструкция позволит увеличить дебит каптируемого метана, сократить их протяженность. Так, уже в настоящее время начаты проектные работы в этом направлении на шахте «Северная». В результате предполагаемой реконструкции предусматривается сократить протяженность дегазационных сетей на 1015 км, увеличить на 50-70 % эффективность дегазации выемочных участков и
дополнительно утилизировать около 35 М/мин метана.
Недостаточный объем утилизации метана объясняется тем, что его сжигание в котельных и автономном воздухонагревателе носит сезонный характер: наибольшее потребление приходится на зимнее время года. Поэтому увеличение объемов утилизации метана возможно за счет внедрения новых установок по получению как тепловой энергии, так и электрической, используемой в технологических процессах.
Увеличение объемов утилизации метана - это в первую очередь снижение себестоимости добываемого угля, уменьшение дефицита электроэнергии и решение многих экологических проблем в угледобывающем районе.
Веселов А.П., Гавриш А.Н., Скатов В.В. — ОАО «Воркутауголь». Эннс А.А. — Филиал СПГГИ (ТУ) «Воркутинский горный институт».
