CC BY
21
I. ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ГЕОМЕХАНИКА INDUSTRIAL SAFETY AND GEOMECHANICS
Р.И. Родин
младший научный сотрудник Института угля СО РАН
УДК 622.275.2
ПРЕДПОСЫЛКИ К РАЗВИТИЮ ТЕХНОЛОГИИ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕМ ПРИ ОТРАБОТКЕ МОЩНЫХ И СБЛИЖЕННЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
В статье приводится обоснование технологии отработки свиты мощных и сближенных угольных пластов, обеспечивающей эффективное управление основными источниками метанообильности высокопроизводительных выемочных участков.
Работа выполнена при финансовой поддержке междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН № 99 и партнерского интеграционного проекта СО РАН № 100.
Ключевые слова: МОЩНЫЕ И СБЛИЖЕННЫЕ УГОЛЬНЫЕ ПЛАСТЫ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДЕГАЗАЦИИ, ФИЛЬТРАЦИЯ ГАЗА, ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТЬ, ДАВЛЕНИЕ ГАЗА, СНИЖЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ, УПРАВЛЕНИЕ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕМ
При подземной разработке свит угольных пластов выбор технологий традиционно ориентирован на максимально возможную производительность добычи угля из пластов рабочей мощности и лишь затем на параметры технологической схемы, например порядок отработки пластов и геометрические размеры выемочных столбов согласовываются с фактом, что пласты углеметановые. С учетом достижимой эффективности вентиляционных и дегазационных систем уточняются условия слоевой отработки мощного пласта и технически возможные вынимаемые мощности слоев. При такой последовательности неизбежно возникают ограничения по газовому фактору [1, 2], минимального количества и сечения горных выработок и нередко снижения проектной производительности выемочных участков с дополнительным ростом себестоимости угля, т.к. дорогостоящая техника загружается частично.
Снижению негативного влияния газового фактора при разработке сближенных пластов
посвящено большое количество исследований, результаты которых отражены в соответствующих нормативных документах [3, 4]. Однако они учитывают лишь притоки метана из вмещающего углегазоносного массива горных пород в выработанное пространство действующего выемочного участка, не рассматривая целесообразность интеграции технологических схем проветривания выемочных участков на сближенных пластах с целью повышения эффективности управления их метанообильностью. В то же время геомеханические и газодинамические следствия ведения горных работ на сближенных пластах изучены достаточно полно [5-7].
Задачи отработки мощных пластов в настоящее время решаются путем максимального увеличения вынимаемой мощности до 5 м и более с целью минимизировать мощность не вынимаемого слоя. Естественно, высокопроизводительная выемка такой мощности даже одиночного, но газоносного пласта, сопряжена с очень большим выделением метана в призабой-ное пространство как через площадь обнажения
пласта, так и из отбиваемого угля. При залегании пласта в свите неизбежен и значительный приток газа в выработанное пространство действующего участка. Тем самым значимость газового фактора при отработке мощных пластов резко возрастает и, не смотря на успехи горного машиностроения, существенно снижает технологическую доступность значительных запасов угольных месторождений.
В части управления метанообильностью выемочных участков способами дегазации пластов из горных выработок следует отметить их крайне низкую эффективность при отсутствии предварительной разгрузки от горного давления. Например, в результате горно-экспериментальных работ на шахтах «Абашевская» и «Алардинская» (Кузбасс) установлено, что в результате предварительной дегазации неразгруженных угольных пластов через пластовые скважины (плотность бурения 5-12 м) за год их эксплуатации каптировано менее 10 % от газоносности пласта [8, 9]. Хотя на шахтах и принят нисходящий порядок отработки пластов в свите, проводить дегазацию на нижележащем пласте в период отработки вышележащего экономически не выгодно даже при малой мощности между-пластья, т. к. требуется заблаговременное (за много лет) проведение и обслуживание на нем практически всей системы горных выработок без добычи угля.
Из вышеизложенного следует, что в настоящее время угольные предприятия Кузбасса нуждаются в новых технологиях отработки высокогазоносных угольных пластов, позволяющих более эффективно использовать возможности вентиляции и раскрывать весь потенциал предварительной дегазации.
В качестве одного из возможных решений разработана технологическая схема управления газовыделением при отработке мощных и сближенных пластов (рис.1) [10]. На рисунке показан пример слоевой отработки мощного пласта. Решение обладает весьма значимым преимуществом - подготовка выемочных столбов в каждом слое (пласте) ведется по наиболее экономичной 2-штрековой схеме, а при отработке верхнего слоя наибольшая метанообильность работ, управление газовыделением обеспечиваются по наиболее эффективной 4-штрековой схеме.
При этом достигается разделение вентиляционных потоков, соответствующее интенсивности основных источников метана, а при отработке практически полностью дегазированного нижнего слоя проветривание выполняется по
возвратноточной схеме. В основе этой технологической схемы лежит соединение одноименных штреков по верхнему и нижнему слоям посредством наклонных сбоек. По мере отработки верхнего слоя ближайшие к его забою сбойки поочередно открывают для поступления воздуха из конвейерного штрека нижнего слоя. Часть поступающего воздуха направляется по конвейерному штреку верхнего слоя, отводя метан, выделяющийся из транспортируемого угля, а основная часть поступает на проветривание забоя. Процесс отвода газовой смеси от верхнего сопряжения забоя верхнего слоя осуществляется путем отвода исходящей струи через вентиляционный штрек нижнего слоя на фланговую выработку и далее на газоотсасывающую установку с подсвежением исходящей струи воздухом из выработок нижнего слоя. С некоторым отставанием от работ по верхнему слою или после их окончания отрабатывают нижний слой.
4 5
I
Рисунок 1 - Вертикальная и горизонтальная схемы отработки выемочных участков при слоевой отработке мощных угольных пластов: 1 - верхний слой угольного пласта; 2 - нижний слой угольного пласта; 3 - межслоевая пачка угля; 4, 5 - вентиляционный и конвейерный штреки верхнего слоя; 6 - система отвода исходящей струи; 7, 8 - вентиляционный и конвейерный штреки нижнего слоя; 9, 10 - сбойки
вентиляционных и конвейерных штреков; 11, 12 -дегазационные скважины верхнего и нижнего слоев;
13 - механизированный комплекс
Предусмотрена предварительная дегазация верхнего и нижнего слоев. В результате интенсивной разгрузки нижнего слоя поступление метана в его дегазационные скважины резко интенсифицируется, снижая метанообильность выработанного пространства верхнего слоя. Перед окончанием работы очередной дегазационной скважины нижнего слоя через нее можно выполнять его пропитку антипирогенами для снижения эндогенной пожароопасности.
Применение предлагаемой технологии, например при отработке мощных пластов, позволяет иметь вынимаемую мощность верхнего слоя в наиболее приемлемом диапазоне до 3,5 м с выпуском межслоевой пачки угля [11] в процессе отработки нижнего слоя, но при условии высокой эффективности его дегазации. Рассмотрим наиболее очевидные геомеханические и физико-химические основы выполнения этого условия, вытекающие из интенсивной разгрузки нижнего слоя от действовавших напряжений.
Известное [5] уравнение притока газа в пластовую скважину имеет вид:
я*с(р2-рс2)гф
Я с ~ -ТГК—■м /с.
ЦРсШф
(1)
где кс - приведенный коэффициент газопроницаемости пласта в пределах контура питания, Д; Р -давление газа на контуре питания, МПа; Рс - давление газа в скважине, МПа; 1ф - длина фильтрующей части скважины, м; гк - радиус контура питания скважины, м; Бс - диаметр скважины, м; ц - вязкость газа, МПа с.
Одним из следствий снижения действовавших напряжений в пласте является рост его газопроницаемости. Для оценки этих изменений можно воспользоваться известными [7, 12] эмпирическими данными об изменении коэффициен-
та газопроницаемости пластов от глубины их залегания, Для удобства обобщения многообразия свойств пластов, описанных в указанных работах, значения газопроницаемости и напряжений рассматривались относительно их величин на глубине 100 м (рис. 2).
Видим, что с ростом напряжений газопроницаемость снижается по гиперболической зависимости более чем на порядок, что может быть отражено следующей формулой:
(2)
где Кн - среднее по длине очистного забоя значение коэффициента газопроницаемости нижнего слоя в результате его надработки, Д; К100 - газопроницаемость пласта на глубине 100 м, Д;
ст - средние по длине очистного забоя напряжения в нижнем слое в результате его надработки, МПа;
о100 - напряжение в пласте на глубине 100 м, МП а.
Естественно ожидать прямо противоположного эффекта при снижении напряжений в надрабатываемом пласте. С учетом этого возможен следующий подход к оценке изменений дебита метана в скважины при надработке дегазируемого слоя.
Из (1) видим, что приток газа в скважину зависит от коэффициента газопроницаемости линейно. Следовательно, получим и прямо пропорциональный рост притока. Аналогично будет стремиться возрасти и скорость поступления метана в выработанное пространство верхнего слоя. Для предотвращения этого предусмотрена повышенная плотность бурения дегазационных скважин и поддержание в них необходимого разряжения.
Рисунок 2 - Обобщенные данные изменения газопроницаемости угольных пластов с ростом напряжений относительно их значений на глубине 100 м
Рисунок 3 - Рост давления газа Р в изолированном объеме пластов угля с различным выходом летучих веществ в результате снижения в них напряжения
18
Оценка влияния на приток газа в скважину второго фактора, давления газа на контуре питания (1), может быть проведена на основе современных представлений [13, 14] о существовании метана в угольных пластах по типу твердого раствора (ТУГР). Согласно им углеметановый геоматериал является диссипативной однофазной системой, необратимо распадающейся при снижении напряжений. Распад формирует двухфазную систему с сорбционным взаимодействием газовой и твердой компонент. В период снижения напряжений выделяющийся из скелета угля метан, скапливаясь и повышая давление в микродислокациях, обуславливает их развитие в микро, а затем и макротрещины с выходом на фильтрационные каналы. В результате инициируется процесс притока газа в фильтрационную систему с повышением давления на контуре питания, а скорость фильтрации возрастает пропорционально его квадрату.
Согласно этим представлениям и с использованием эмпирических зависимостей газоносности пластов Кузбасса с различным выходом летучих веществ для различных глубин залегания и сорбционной метаноемкости их углей с ростом давления свободного газа [15] имеем уравнение газового баланса (3), позволяющие рассчитывать величину его давления в изолированном объеме пластов с различным выходом летучих веществ при снижении напряжений.
АВсг.
АВа?
а ЬРВ
УудГ*
1+В(Т1 1+Ва2 1+ЬРЕ
(3)
где А - предельная метаноносность пласта, м3/т; В- коэффициент метаноносности, 1/МПа; а - предельная сорбционная метаноёмкость угля, м3/т;
Ь - коэффициент сорбции, 1/МПа; Рв - давление газа, МПа; Рапш - атмосферное давление, МПа; а, а2 - начальные и конечные значения геомеханических напряжений в пласте, МПа; V - объем пор в тонне угля, м3/т.
Ре +а2< а. (4)
Из результатов расчетов, выполненных для условий а= 12,5 МПа (глубина от поверхности 500 м) видно (рис. 3), что влияние выхода летучих веществ на максимально возможное давление газа после снижения напряжений практически отсутствует, что не согласуется с известными данными о повышенной выбросоопас-ности пластов средней стадии метаморфизма. Но зависимость (3) отражает ситуации на момент окончания процесса смены метастабиль-ных состояний углеметанового геоматериала, а динамика внезапного выброса требует, прежде всего, высокой скорости их изменений, что в (3) не рассматривается.
В заключение следует отметить, что рост давления газа на контуре питания скважины при снижении напряжений несколько меньше роста газопроницаемости, но в уравнении фильтрации влияние давления квадратично, а газопроницаемости - линейно. Следовательно, значимость изменений давления на приток газа в скважину более высокая. К тому же, высокое давление газа способно диспергировать структуру блоков угля по берегам фильтрационных трещин. В результате режим поступления газа из них переходит от диффузионного [16, 17] к фильтрационному, а контур питания скважины выравнивается, что дополнительно повышает скорость дегазации пласта в целом.
Таким образом, предлагаемая технологическая схема (см. рис. 1) достаточно полно учитывает газодинамическую реакцию газоносных пластов на изменение их состояний при ведении горных работ, повышает эффективность способов управления газовыделением для условий отработки мощных и сближенных угольных пластов. Ее применение позволяет повысить эффективность проветривания за счет общешахтной депрессии выемочных участков шахт и спаренных штреков в процессе их проведения, а также более полно использовать потенциал попутного метана.
При этом действует условие
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Полевщиков, Г. Я. Повышение эффективности комплексного управления газовыделением на выемочном участке шахты / Г. Я. Полевщиков, Е. Н. Козырева, М. В. Шинкевич // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. Научно-технический журнал. - Кемерово. - 2012. - № 2. - С. 20-27.
2. Козырева, Е. Н. Некоторые особенности управления метанообильностью высокопроизводительного выемочного участка / Е. Н. Козырева, М. В. Шинкевич, Н. Ю. Назаров // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: изд-е «Горная книга». - 2011. - № 9. - С. 322-325.
3. Методические рекомендации о порядке дегазации угольных шахт (РД-15-09-2006). Сер. 05. Вып. 14 / Колл. авт.: «Научно-технический центр по безопасности в промышленности», 2007.
19
4. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт / МакНИИ. - Макеевка-Донецк, 1989. - 319 с.
5. Полевщиков, Г. Я. Динамические газопроявления при проведении подготовительных и вскрывающих выработок в угольных шахтах / Г. Я. Полевщиков. - Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 2003. - 317 с.
6. Зыков, В. С. Внезапные выбросы угля и газа и другие газодинамические явления в шахтах / В. С. Зыков. - Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 2010. - 333 с.
7. Ходот, В. В. Внезапные выбросы угля и газа / В. В. Ходот. - М.: Госгортехиздат, 1961. - 363 с.
8. Родин, Р. И. Эффективность дегазации шахт Кузбасса / Р. И. Родин // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - Кемерово. - 2011. - № 2. - С. 116-119.
9. Родин, Р. И. Предварительная дегазация пласта и перспективы применения ориентированного гидроразрыва / Р. И. Родин // Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельный выпуск 6. Институт угля Сибирского отделения РАН. - М.: изд-во «Горная книга», 2013. - С. 265-270.
10. Пат. 2510461 Российская Федерация, МПК Е2^7/00. Способ комплексного управления газовыделением на выемочных участках при отработке мощных и сближенных высокогазоносных пологих угольных пластов / Полевщиков Г. Я., Козырева Е. Н., Родин Р. И., Климов В. Г.; заявитель и патентообладатель ИУ СО РАН; №2012152727/03. - Опубл. 27.03.2014, бюл. № 30. - 6 с.
11. Клишин, В. И. Разработка мощных пластов механизированными крепями с регулируемым выпуском угля / В. И. Клишин [и др.]; отв. ред. М. В. Курленя. - Новосибирск: Наука, 2007. - 134 с.
12. Газоносность угольных бассейнов и месторождений СССР. Том 2. Угольные бассейны и месторождения Сибири, Казахстана и Дальнего Востока. - Москва: «Недра», 1979. - 454 с.
13. Диплом на открытие № 9. Свойство органического вещества образовывать с газами метаста-бильные однофазные системы по типу твердых растворов / Алексеев А. Д., Айруни А. Т., Васючков Ю. Ф., Зверев И. В., Синолицкий В. В., Долгова М. О., Эттингер И. Л. - Акад. ест. Наук, Ассоц. авт. науч. откр. от 10.11. 1994, рег. №16, Москва. - 3 с.
14.Малышев, Ю.Н. Фундаментально-прикладные методы решения проблемы угольных пластов / Ю.Н. Малышев, К. Н. Трубецкой, А. Т. Айруни. - М.: ИАГН, 2000 - 519 с.
15. Полевщиков, Г. Я. Оценка газодинамической активности пластов с учетом данных газового опробования / Г. Я. Полевщиков, Т. А. Киряева, А. А. Рябцев, М. С. Плаксин // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: изд-во «Горная книга». - 2008. - № 3. - С. 115-120.
16. Назарова, Л. А. Определение коэффициента диффузии и содержания газа в пласте на основе решения обратной задачи по данным измерения давления в герметичной емкости с угольным веществом / Л. А. Назарова, Л. А. Назаров, Г. Я. Полевщиков, Р. И. Родин // ФТРПИ. - 2012. - № 5. -С. 15-23.
17. Полевщиков, Г. Я. Особенности дегазации высокогазоносных угольных пластов / Г. Я. Полевщиков, Р. И. Родин, А. А. Рябцев, Л. А. Назарова, Л. А. Назаров // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. Научный журнал. Новосибирск: ИГД СО РАН. - 2014. - № 1. - Т. 2. - С. 27-34.
DEVELOPMENT BACKGROUND OF GAS EMISSION CONTROL TECHNIQUE DURING THICK AND CONTIGUOUS COAL SEAMS MINING Rodin R. I.
The article describes the bunch of thick and contiguous coal seams mining technique which provides the efficient control of the main gas emission saucers at high production coal extraction sections. The work is done with the financial support of Interdisciplinary integration project of the SB of RASc No. 99 and partnership integration project of the SB of RASc No. 100
Key words: THICK AND CONTIGUOUS COAL SEAMS, DEGASSING EFFICIENCY, GAS FILTRATION, GAS PENITRATION ABILITY, GAS PRESSURE, STRESS REDUCTION, GAS EMISSION CONTROL
Родин Роман Иванович e-mail: [email protected]
