Совершенствование технологии пластовой дегазации угольных пластов в условиях их интенсивной разработки

Выделяющийся в горные выработки шахтный метан — основной сдерживающий фактор угледобычи. В настоящее время в России функционируют около 50 шахт III категории и сверхкатегорных по газу. Абсолютная метанообильность некоторых из них превышает 150 м /мин. Для рентабельной угледобычи эффективность дегазации на таких шахтах должна быть не менее 50−60%. Критической величины достиг за последние годы смертельный травматизм от взрывов газа и пыли. К сожалению, не просматривается тенденция к улучшению ситуации. Проблема метанобезопасности ждет своего безотлагательного решения.

За годы реструктуризации угольной промышленности перестали функционировать более 200 угольных шахт, а с либерализацией экономики в угольной промышленности наметилась положительная тенденция на обновление основных фондов организаций по добыче и переработке угля и замену морально устаревшей и физически изношенной горновыемочной техники на новую высокопроизводительную. И сегодня в плане эффективности производства можно говорить о соответствии отечественной угледобывающей и перерабатывающей промышленности мировым достижениям.

Уменьшение количества шахт и задействованных в отрасли работников, количество которых в период 1996 по 2010гг. сократилось с 300,7 до 116,8 тыс. позволяет обеспечить снижение абсолютного количества аварий и случаев смертельного травматизма. В тоже время продолжает вызывать обеспокоенность нестабильный тренд динамики смертельного травматизма.

Скачкообразный характер смертельного травматизма вызван происходящими на шахтах крупными авариями с количеством жертв, превышающим 10 человек. В 1997 г. аварии на шахтах «Зыряновская» и.

Баренцбург", погибло соответственно 67 и 23 человек. В 2004 г. в авариях на шахтах «Тайжина» и «Листвяжная» смертельно травмированы 47 и 13. В 2007 г. на шахтах «Ульяновская», «Юбилейная» и «Комсомольская» в результате аварий погибло соответственно 110, 39 и 11. В 2010 г. на шахте «Распадская» и «Алексеевская» — 91 и 2.

Исследованиям, направленным на разработку безопасных подземных геотех пологий на современном этапе развития научно-технического прогресса в угледобывающей отрасли, посвящены работы ННЦ ГП — ИГД им. A.A. Скочинского, ИПКОН РАН, ВНИМИ, ИГД СО РАН, Института угля СО РАН, Печорниипроекта, МГГУ, С-ПбГИ (ТУ), КузГТУ, СибГИУ, ряда угледобывающих компаний (СУЭК, УК «Южкузбассуголь» и др.) и ряда других организаций.

Наиболее значительные аварии в угольной отрасли связаны с взрывами метана, выделяющегося из угольных пластов. Взрывы и вспышки метана инициируют взрывы угольной пыли, сопровождаются тяжелым материальным ущербом и большим числом человеческих жертв. Катастрофическим примером может служить последняя авария на шахте «Распадская».

Смертельный травматизм на газовых шахтах в нашей стране в десятки раз превышает аналогичные показатели в угледобывающих странах Европы, в США и в Австралии. Технико-экономические показатели работы газовых шахт на 35−50% ниже, чем не газовых в аналогичных горно-геологических и горнотехнических условиях.

Из шахт России ежегодно выделяется более 8 млрд. м3 метана, а утилизируется менее 10% этого объема, что наносит ущерб окружающей среде и приводит к потере метана как энергетического ресурса. При этом нормативно-методическая база проектирования систем метанобезопасности угольных шахт в России отсутствует или оставляет желать лучшего.

Основной природный барьер к высокопроизводительной и безопасной разработке высокогазоносных угольных пластов — содержащийся в них метан, с которым связаны такие основные опасности подземной угледобычи как взрывы метана и пыли, внезапные выбросы угля и газа с катастрофическими последствиями.

Среднемесячная нагрузка на очистной забой на шахтах основных угледобывающих бассейнов постоянно и существенно возрастает и превысила в настоящее время на ряде шахт 16 тыс. тонн в сутки (на шахте «Котинская» ОАО «СУЭК-Кузбасс» нагрузка уже достигала более 29 тыс. топи в су1ки, на шахте им. Кирова — более 17 тыс. т/сутки, на шахте «Талдипская-Западная — более 34 тыс. т/сутки).

В этих условиях резко повышается абсолютная газообильность выемочных участков и только комплексная дегазация позволяет ведение горных работ с высокими технико-экономическими показателями. Дос1 и гнутая в настоящее время эффективность комплексной дегазации в значительной мере определяется глубокой дегазацией выработанного пространства. Однако с ростом нагрузки на очистной забой резко возрастает вклад метана, выделяющегося из разрабатываемого пласта и разрушаемого в забое угля. Дальнейшее совершенствование дегазации в условиях роста нагрузок на очистной забой свыше даже 5−8 тысяч тонн в сутки возможно только за счет извлечения метана непосредственно из разрабатываемого угольного пласта.

Пластовая дегазация угольного пласта из подземных выработок имеет определенные ограничения по эффективности, что связано с ограниченным временем функционирования пластовых скважин, снижением проницаемости пласта с увеличением глубины его залегания и невозможностью проведения мощных активных воздействий на толщу из-за близости горных выработок к объекту дегазации.

Опыт заблаговременной дегазационной подготовки (ЗДП) шахтных полей и выемочных участков через скважины, пробуренные с поверхности, в 8.

Карагандинском и Донецком угольных бассейнах показывает, что данная технология может обеспечить 50 — процентное снижение природной 1 азоносности, достигнутое извлечение на поверхность 6−9 м3/т.

В современных условиях планируемые нагрузки на ряде шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» составляют 20 000−25 000 т/сут, прогнозное газовыделение о из разрабатываемого пласта может достигать 4,5−6,5 м /т. Без кардинального снижения газообильности горных выработок и в первую очередь разрабатываемого пласта обеспечить такую нагрузку не представляется возможным. Проведение заблаговременной дегазационной подготовки высокогазоносных угольных пластов к безопасной и эффективной отработке было предусмотрено разработанной Управлением угольной промышленности «Росэнерго» и МГГУ и согласованное Ростехнадзором концепцией обеспечения метанобезопасности угольных шахт России.

Технологическая новизна выполненной диссертационной работы заключается в разработке принципиальной методической и технологической документации на совершенствование технологии пластовой дегазационной подготовки выбросоопасных угольных пластов на стадиях:

• предварительной дегазации из подготовительных выработок;

• заблаговременной дегазации скважинами с поверхности.

На стадии предварительной дегазации совершенствование может осуществляться путем определения оптимальных параметров подземной пласговой дегазации и путем включения в технологическую схему этапа проведения активных гидродинамических воздействий, в частности гидроимпульсных воздействий с использованием эффекта обратного гидроудара и некоторых других воздействий.

На стадии заблаговременной дегазации технологическая схема должна базироваться на изменении свойств и состояния выбросоопасного.

I азонасыщенпого массива путем активных воздействий через скважины с поверхности в различных технологических модификациях в зависимости от резерва времени на обработку, необходимой глубины дегазации и степени 9 выбросоопасности, а также применения комплексной дегазации, включающей в себя активные воздействия по повышению газопроницаемости массива скважинами с поверхности с раскрытием основных систем трещин в угольном пласте и дальнейший съем основного объема газа пластовыми скважинами, пробуренными из подземных выработок в зоны повышенной проницаемости и газоотдачи.

В работе предполагается определить эффективные и оптимальные параметры разрабатываемых технологических схем на основе математического и физического моделирования на базе фактических характеристик угля (сорбционных характеристик, пластового давления, газопроницаемости и др.), полученных в процессе проведения шахтных экспериментальных работ на объектах исследования (шахта им. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс»).

Цслыо работы является реализация принципа необходимости и целесообразности извлечения метана на всех стадиях разработки угольного месторождения на основе разработки усовершенствованных технологий заблаговременной и предварительной пластовой дегазации углегазоносного массива скважинами, пробуренными с поверхности и из подземных выработок, для обеспечения необходимого уровня метанобезопасности интенсивной угледобычи в условиях высокопроизводительных участков.

Идея работы заключается в разработке энергосберегающей технологии дегазации высокопроизводительных выемочных участков и шахтных полей в целом с применением гидродинамического воздействия в режиме гидроудара на стадиях заблаговременной и предварительной дегазационной подготовки.

Основные научные положения, выносимые на защиту: 1. Механизм гидроударного воздействия для совершенствования комплексной технологии пластовой дегазации неразгруженных от горного давления угольных пластов на стадиях их предварительной (из горных выработок) и заблаговременной гидрообработки основывается на.

10 использовании энергии рабочей жидкости гидровоздействия при ее самоисчечснии.

2. Обоснованные параметры дегазационной подготовки газоносных угольных пластов для их безопасной и интенсивной отработки на основе гидродинамического воздействия должны обеспечивать реализацию эффекта обрапю1 о гидроудара.

3 Механизм реверсивного автопневмовоздействия на пласт из подземных пластовых выработок на стадии предварительной дегазации угольного пласта основывается на использовании энергии извлекаемого из дегазируемого массива метана для повышения проницаемости угольного пласта и эффективности его последующей дегазации.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

— анализом научно-технических материалов и литературных источников по известным способам борьбы с метаном в угольных шахтах, в частности, способам пластовой дегазации;

— преде 1ави1ельным объемом шахтных исследований и анализом горногеологических, горнотехнических условий и программы развития горных работ, оценкой эффективности способов пластовой дегазации, применяемых на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс»;

— значительным объемом шахтных экспериментальных работ по определению основных свойств и характеристик углегазоносного массива;

— корректным использованием методов математической статистики при обработке результатов исследований.

Научное значение работы заключается в разработке усовершенствованных технологических схем пластовой дегазации и ее парамсфов па стадиях предварительной и заблаговременной дегазации па основе новых технических решений.

Практическая ценность работы состоит в разработке рабочей методики определения основных фильтрационных и газокинетических.

11 свойств у] ольных пластов и технической документации на заблаговременную и предварительную дегазационную подготовку угольных пластов.

Реализация работы. Приняты к реализации «Технологическая часть проекта предварительной дегазации пласта «Болдыревский» из Iюдго'1 ови 1слы1ых выработок выемочного участка 2455 на поле шахты им. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс», «Технологическая часть проекта заблаговременной дегазационной подготовки пласта «Болдыревский» лавы 2460 па поле шахты им. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс» и «Технологическая часть проекта заблаговременной дегазационной подготовки пласта «Поценовский» лавы 2596 на поле шахты им. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс», упюрждепныс техническим директором ОАО «СУЭК — Кузбасс». Испытана па шахте им. Кирова технология интенсификации газовыделения из подземных дегазационных скважии путем реверсивного автопневмовоздействия.

Апробации работы. Основное содержание диссертационной работы докладывалось в составе научно-технических отчетов в ОАО «СУЭК-Кузбасс» (2009;2011 гг.), на ежегодных научных симпозиумах «Неделя Горняка» (2010;2012 гг.), научно-практической конференции в г. Киселсвске (2008 г.), научном семинаре кафедры ИЗОС (2010;2012 гг.) и заседании кафедр «Аэрология и охрана труда» и «Инженерная защита окружающей среды» МГГУ (2012 г.).

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 7 печатных работах, в том числе из них 6 в изданиях, рекомендованных ВАК Мипобрнауки РФ.

Обьем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, содержит 23 таблиц, 36 рисунков, список литературы из 99 наименований.

Основные выводы по выполненным в диссертации исследованиям заключаются в следующем:

1. Разработана методическая документация по изучению свойств и состояния угольных пластов, в частности, рабочая методика проведения шахтного эксперимента по определению пластового давления, проницаемости и основных сорбционных характеристик разрабатываемого угольного пласта для выбора эффективных технологий пластовой дегазации и достоверной оценки предельно допустимых нагрузок на очистные забои по газовому фактору.

2. Установлен и обоснован механизм автопневмовоздействия на пласт из подготовительных горных выработок для повышения его газоотдачи, заключающийся в том, что при перекрытии дегазационной пластовой скважины нарастающее газовое давление в последней способствует реверсивному проникновению газа в пласт, повышению его газопроницаемости и эффективности последующей пластовой дегазации.

3. Разработана и утверждена методика реализации технологии интенсификации газовыделения из подземных дегазационных скважин путем автопневмовоздействия, предусматривающей периодическое закрытие подземных пластовых скважин до достижении давления газа в скважине уровня пластового давления и последующее открытие скважин для интенсивного извлечения метана.

4. Установлен и обоснован механизм гидроударного воздействия для совершенствования технологии пластовой дегазации неразгруженных от горного давления угольных пластов на стадии их предварительной (из горных выработок) и заблаговременной (скважинами с поверхности) гидрообработки, основывающейся на использовании энергии рабочей жидкости гидровоздействия при ее самоистечении.

5. Обоснованы параметры заблаговременной дегазационной подготовки газоносных угольных пластов скважинами с поверхности на основе циклического гидровоздействия, осуществляемого с использованием эффекта обратного гидроудара, в частности, обоснована частота перекрытия истекающего из скважины потока с помощью шарового клапана, а также технологическая последовательность операции, обеспечивающая достижения поставленных целей.

6. Научно обоснованы методологические подходы к выбору конкретной комплексной схемы пластовой дегазации, адекватной горногеологическим и горнотехническим условиям отработки угольного пласта, на основе текущего экспериментального определения пластового давления газа в последнем и основных сорбционных характеристик угля, позволяющих достоверно определять требуемую глубину дегазации.

7. Обоснован методический подход к выбору параметров заложения скважин заблаговременной дегазации с учетом планируемой нагрузки на очистной забой, а также обеспечения эффективного и безопасного проведения подготовительных горных работ.

8. Разработана, утверждена и принята к реализации основная технологическая документация на проведение предварительной пластовой дегазации из подземных выработок и заблаговременной дегазации выбросоопасного угольного пласта скважинами с поверхности с использованием эффекта обратного гидроудара: «Технологическая часть проекта предварительной дегазации пласта «Болдыревский» из подготовительных выработок выемочного участка 2455 на поле шахты им. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс», «Технологическая часть проекта заблаговременной дегазационной подготовки пласта «Болдыревский» лавы 2460 на поле шахты им. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс» и «Технологическая часть проекта заблаговременной дегазационной подготовки пласта «Поленовский» лавы 2596 на поле шахты им. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс», утвержденные техническим директором ОАО «СУЭК — Кузбасс».

Прогнозное извлечение метана из зон влияния скважин ГРП на момент отработки лав 2460 и 2596 планируется на уровне 5−7 м /т.

9. Дано технико-экономическое обоснование извлечения и использования метана на действующих шахтах. Рассмотрен методический подход к оценке экономической эффективности извлечения метана из угленосной толщи. Разработано технико-экономического обоснование работ по дегазации угольных пластов и подготовке выемочных участков к безопасной и эффективной отработке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой изложены научно-обоснованные технологические разработки, имеющие существенное значение для решения актуальной задачи интенсивной и безопасной отработки газоносных угольных пластов с применением усовершенствованных технологий пластовой дегазации на основе активных гидроударных воздействий на углегазоносную толщу на стадии заблаговременной и предварительной дегазации.