CC BY
36
СЕМИНАР 6
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001”
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001г.
44 © А.А. Эннс, А.С. Пантелеев,
В.В. Скатов, 2001
УДК 622.817.9:661.184.35 4
A.А. Эннс, А.С. Пантелеев,
B.В. Скатов
ПРОМЫШЛЕННАЯ ДЕГАЗАЦИЯ НА ШАХТАХ ПЕЧОРСКОГО УГОЛЬНОГО БАССЕЙНА
И
стория развития дегазации, как неотъемлемого технологического процесса добычи угля, на шахтах Воркутинского промышленного района началась в 1956 г., когда на шахте № 40 была построена и пущена в эксплуатацию первая в Печорском угольном бассейне подземная вакуум-насосная установка. В 1958 г. на этой же шахте была пущена в эксплуатацию вторая подземная ВНС. Опыт применения дегазации на этой шахте быстро доказал эффективность удаления метана средствами дегазации и к 1970 г. с применением дегазации работали уже все 13 наиболее газообильных шахт.
В Воркутинском промышленном районе разрабатывались четыре угольных месторождения -Воркутское, Воргашорское, Хальмерюсское и Юньягинское.
Дегазация применяется на первых двух месторождениях, имеющих высокогазоносные угольные пласты, наибольшее же развитие дегазация получила на шахтах Воркутского месторождения.
В разрезе угольной толщи Воркутского месторождения содержится около 140 угольных пластов и пропластков. Большинство из них не подлежат к разработке из-за малой мощности и высокой зольности. В настоящее время разрабатываются лишь шесть пластов. Четыре из них -Мощный (мощность 3,9 м; зольность 15 %; влага 1,9 %; выход летучих 35 %), Тройной (2,5 м; 16 %; 1,6 %; 32,6 %), Четвертый (1,5 м; 14 %; 2,5 %; 32 %) и Пятый (0,9 м; 18,9 %; 2,6 %; 31,6 %) стратиграфически принадлежат к так называемой
Рудницкой подсвите осадков и два пласта - J4 и Н4 мощностью 1,1—1,4 м, к осадкам Интинской свиты.
Разрабатываемые пласты Рудницкой подсвиты, являются угрожаемыми и опасными по горным ударам, а пласты Мощный, Первый и Пятый одновременно угрожаемы по внезапным выбросам угля и газа.
Отработка пластов на шахтах Воркуты производится по бесцеликовой технологии. Бес-целиковая технология, будучи известной в практике угольной промышленности при сплошной системе разработки, получила качественно новое развитие при системе длинных стволов с подготовкой одинарными выработками вместо парных, разделенных целиками угля, на шахтах Воркутского месторождения с 1964 г. Столбовая система разработки с бесцеликовой схемой отработки пластов привела к прямоточным схемам проветривания выемочных участков с подсвежением исходящей из очистного забоя струи и выпуском ее по поддерживаемой на границе «массив — выработанное пространство» выработке, что обеспечивает разбавление метана по источникам газовыделения.
От начала промышленного внедрения дегазации в 1956 г. до настоящего времени можно выделить два характерных периода, разделенных переходом на бесцеликовую технологию отработки угольных пластов.
Первый период характерен отработкой угольных пластов длинными столбами, разделенными целиками угля. При такой системе разработки пластов на шахтах Воркуты были испытаны практически все известные в отрасли схемы и способы дегазации:
1. предварительная дегазация разрабатываемых пластов до начала отработки выемочных столбов параллельно-одиноч-ными скважинами, буримыми из вентиляционных и откаточных штреков, как мера борьбы с внезапными выбросами угля и газа. Такая система позволяла снижать относительное газовыделение на 4-8 м3/т по пластам Первому и Двойному, на 2-3 м3/т по пласту Тройному и на 3-4 м3/т по пласту Мощному на глубинах до 500-600 м, эти же скважи-
ны использовались при отработке выемочных столбов;
2. дегазация подрабатываемых пластов скважинами из этажных вентиляционных и откаточных штреков при отработке пластов в пределах горизонта одной лавы (лава — этаж). Эффективность дегазации по выемочному участку достигала 50-70 %.
При панельной подготовке горизонта и столбовой системе отработки дегазационные скважины закладывались из выемочных выработок с ориентацией забоя скважины на встречу очистному забою. Эффективность такой схемы дегазации подрабатываемых смежных пластов не превышала 35 %, так как скважины прекращали свою работу с подходом лавы и погашением выработок.
Разновидностью схем дегазации подрабатываемых смежных пластов являлись схемы бурения скважин из полевых выработок горизонтов или специальных слепых гезенков, которые проходились на 20-30 м выше кровли пласта из выработок выемочного участка, а скважины бурились веером из камеры. Широкого распространения такие схемы не получили.
3. Дегазация пластов при проведении подготовительных выработок скважинами, опережающими забой на 80-120 м, однако этот способ не обеспечивал необходимых темпов проведения выработок.
По мере увеличения глубины отработки пластов возрастала интенсивность внезапных выбросов как в подготовительных, так и очистных забоях, падала эффективность дегазации при применяемых схемах нарезки и отработки выемочных столбов.
Региональной мерой борьбы с внезапными выбросами угля и газа в 1964 г. был принят восходящий порядок отработки платов с первоочередной выемкой пласта Четвертого как защитного.
Внедрение механизированных комплексов в очистных забоях обеспечило рост нагрузки на лавы в 2-3 раза и увеличение абсолютного газо-выделения на выемочных участках с 30-50 м3/мин в 1965-70 гг. до 60-80 м3/мин в настоящее время.
Применение бесцеликовой схемы подготовки выемочных столбов и прямоточных на выработанное пространство схем проветривания позволили разбавлять выделяющийся метан по источникам его
выделения и отказаться от дегазации разрабатываемых пластов, так как удельное газовыделение из разрабатываемых пластов снизилось с 50 % в 1960 г. до 8-10 % к 1985-90 гг.
На шахтах Воркутского месторождения на протяжении более 25-30 лет основным источником выделения метана являются под- и надраба-тываемые смежные пласты и пропластки, доля га-зовыделения из которых в общем газовом балансе выемочных участков составляет 65-70 % и 20-35 % соответственно.
Наличие фланговых вентиляционных выработок, бремсбергов (уклонов) позволило закладывать дегазационные скважины из них в сторону выработанного пространства и обеспечить их продуктивную работу на весь период отработки панели и, тем самым, обеспечивать дегазацию подрабатываемых смежных пластов как на полях действующих очистных забоев, так и на площадях ранее отработанных ярусов.
Такому расположению дегазационных скважин было дано название - фланговая схема дегазации. В течение 1970-78 гг. фланговая схема дегазации широко применялась как при панельном, так и при погоризонтном способе подготовки пластов, разрабатываемых столбами длиной 900-1200 м по простиранию или падению пластов.
Фланговая схема дегазации обеспечивала снижение газовыделения из подрабатываемых смежных платов на 80-85 %. Общей характерной особенностью для скважин при фланговой схеме дегазации является охрана устья скважины целиками угля до выхода их выше зон беспорядочного обрушения, разломов и трещин пород кровли, что обеспечивало герметизацию затрубной полости обсадной части скважин цементным раствором.
Зона активного влияния фланговых сква-жин распространялась до 1000-1200 м по простиранию и до 800 м по падению пласта. Особенно долго работают скважины в угловых зонах панелей. На шахтах «Северная» и «Воркутинская» имеются немало скважин, работающих с устойчивым дебитом по метану в 3-5 м3/мин и концентрацией его в каптируемой смеси 40-50 % по 10-18 лет.
По мере роста глубины ведения горных работ и увеличения газоносности угля, роста нагрузок на лавы, увеличения длины выемочных столбов до 2000 м и более обеспечивать необходимую эффек-
тивность дегазации наличием только фланговых скважин стало трудно.
Наличие поддерживаемой выработки с исходящей струей воздуха на всем протяжении выемочного столба и избыточный приток метана в нее из выработанного пространства потребовали изыскания способов заложения дегазационных скважин непосредственно из поддерживаемой на границе «массив — выработанное пространство» выработки. Сложностью в реализации этой задачи являлось герметизация скважины в краевой части обрушения пород от бортового целика в сторону выработанного пространства.
В конечном итоге такое решение было найдено за счет заложения и бурения скважин вдоль плоскости угла полных сдвижений подрабатываемого массива и способа герметизации затрубной полости буровым шламом, образующимся в процессе бурения (способ зашламования). В результате устья скважин на шахтах Воркуты не охраняются целиками угля, либо бутовыми полосами или кострами, как это делается в других бассейнах, а герметизация скважин осуществляется без дополнительных затрат в процессе их бурения.
Бурение скважин для дегазации подрабатываемых пластов — спутников из поддерживаемой за лавой выработки (конвей-ерного штрека или уклона при отработке лав на падению) производится в 100— 150 от линии очистного забоя в зоне установившихся смещений пород подрабатываемого массива. Обсадка скважин от устья производится металлическими трубами на 20—30 м из расчета перекрытия зон повышенной трещиноватости. Затем скважины добуриваются на высоту 15—20 мощностей разрабатываемого пласта с пересечением забоем скважины зон растяжения пород кровли, формирующихся от границы массива в сторону выработанного про-
странства.
Таким образом, применяемую схему заложения скважин из выработок, оконтуривающих выработанное пространство панели (блока) следует называть контурной схемой дегазации. Эта схема включает в себя и фланговое расположение скважин.
Дегазация подрабатываемых пластов — спутников широко применяется не только при первоочередной выемке пластов Четвертого, Мощного и J4, но и при отработке подработанного пластом Четвертым пласта Тройного. При этом эффективность дегазации по выемочным участкам пласта Тройного выше, чем по указанным выше пластам и составляет 75—85 %, а дебит удаляемого дегазацией метана равняется 12—15 м3/мин при объеме бурения в 2—3 раза меньшем, чем по пласту Четвертому.
Вторым по удельному весу источником газовы-деления на выемочных участках являются надраба-тываемые пласты и пропластки. На современных глубинах ведения горных работ из них выделяется 12—17 м3/т газа, на разбавление которого расходуется 70—80 % от расхода воздуха, подаваемого для проветривания выемочных участков.
Ограниченные возможности вентиляционных систем шахт, позволяют подать на выемочные участки пластов не более 2000—2500 м3/мин воздуха. Технические возможности выемочных комплексов нового поколения позволяют увеличивать нагрузки на лавы пласта Четвертого до 2500—3000 т/сут, а по пласту Мощному до 4000—5000 т/сут, но газовыде-ление при таких нагрузках становится сдерживающим фактором.
В 1993—1999 гг. были проведены исследования по дегазации надрабатываемых пластов — спутников при отработке пластов Четвертого и Мощного.
Таблица
ОСНОВНЫЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ДЕГАЗАЦИИ НА ШАХТАХ ВОРКУТЫ
Год Количество шахт, применяющих дегазацию Количество каптируемого метана по группе шахт, м3/мин Концентра-ция метана в каптируемой смеси, % Эффек- тивность дегаза- ции,% Объем бурения скважин на 1000 т добычи, погон ных метров Среднее количество каптируемого метана из одной шахты, м3/мин
Воркута по СССР
1960 2 20,0 28,0 10,3 — 6,6 6,5
1965 11 103,0 29,7 24,0 — 9,4 9,7
1970 13 212,0 34,1 32,4 — 19,3 -
1975 13 369,6 33,0 38,2 4,91 28,4 -
1980 9 363,9 37,4 35,5 6,84 40,4 16,0
1985 9 505,4 42,9 43,2 4,18 56,2 18,1
1990 10 530,4 37,0 39,7 3,5 53,0 -
1994 10 394,5 34,6 39,3 3,9 39,4 -
1997 6 297,2 39,0 35,3 3,0 49,5 -
В процессе исследований была доказана целесообразность и экономическая эффективность дегазации надрабатываемой угленосной толщи, определены зоны активной газоотдачи, определены технические параметры.
Эффективность дегазации надрабатываемых пластов и пропластков составляет 30-45 % без осушения нисходящих скважин и 50-60 % при осушении скважин от воды, а устойчивый дебит метана равен 1,0-1,8 м3/мин из одной скважины. Дегазация надрабатываемых пластов - спутников успешно применяется на шахтах «Воркутинская», «Северная» и «Комсо-мольская» при выемке пластов Четвертого и Мощного.
В табл. приведены основные техникоэкономические показатели работы дегазации на шахтах Воркуты.
Извлекаемый дегазацией метан успешно используется на шахтах «Северная», «Ком-сомольская», «Воркутинская» и «Заполяр-ная» в качестве топлива в шахтных котельных, для сушки угля на ЦОФ и подогрева поступающего в шахту воздуха.
В 1975 г. на утилизацию шахтного метана были переведены 4 котла типа ДКВР-10-13. Четырехлетний опыт эксплуатации этих котлов на шахтном метане доказал, что использование метана дегазации очень выгодно, а технологическая и техниче-
ская простота перевода котельных на газовое топливо, быстрая окупаемость затрат предопределили дальнейший путь утилизации шахтного метана.
К 1987 году на шахтах Воркуты на сжигание шахтного метана было переведено 14 котлов, одна сушильная установка для сушки угля на УОФ шахты «Северная» и газовый калорифер для подогрева поступающего в шахту воздуха на этой же шахте. За 12 лет объем утилизации возрос с 5 млн. м3 в 1975 г. до 37-40 млн. м3 в год в 1987 г.
В настоящее время объемы утилизации метана находятся на уровне 35-40 млн. м3 в год (32-35 % от извлекаемого дегазацией), что позволяет экономить до 60 тыс. т угля.
Высокая эффективность дегазации на шахтах Воркуты была обеспечена в результате перехода на существующую ныне технологию и схему отработки пластов. Это позволило обеспечить дегазацию выемочных полей скважинами из выработок, расположенных по контуру выработанного пространства панелей (блоков) и дегазировать под- и надра-батываемые пласты и пропластки с минимальными затратами. Несмотря на все сложности на шахтах Воркуты удалось сохранить основные техникоэкономические показатели дегазации, являющихся лучшими в отрасли.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ =
У-------------------------7
Эннс Александр Абрамович - зав. лабораторией «Вентиляция и дегазация шахт» «ПечорНИИпроект» Пантелеев Анатолий Симонович - старший научный сотрудник лаборатории «Вентиляция и дегазация шахт» «ПечорНИИпроект»
Скатов Виктор Васильевич - главный технолог по вентиляции и дегазации ОАО «Воркутауголь»
^^
