Введение к работе
Актуальность работы. Работы по повышению эффективности подземной разработки угольных месторождений направлены прежде всего на создание комплексно-механизированного и автоматизированного оборудования нового технического уровня, особенно для очистных и подготовительных забоев. Эта техника призвана интенсифицировать горные работы в ухудшающихся горно-геологпческих условиях и обеспечить в относительно благоприятных условиях существенный рост показателей подземной добычи угля.
Применение механизированных комплексов очистного оборудования с повышенной энерговооруженностью и несущей способностью н технической производительностью ДО 6000 т/сут-на пологих высокогазоносных угольных пластах обеспечивает фактические нагрузки 1200—1500 т/сут. Доля ограничения производительности оборудования по газовому фактору в действующих лавах составляет 13—15%, а при нагрузках 3000 т/сут достигает 35%. Такая ситуация наблюдается несмотря на внедрение прямоточных схем проветривания и комплексных схем дегазации с активными воздействиями на газонасыщенный горный массив.
Недостаточно эффективнее использование высокопроизводительного оборудования на газоносных угольных пластах объясняется слабыми связями-в решении составляющих проблему задач, которые сводятся- к повышению энерговооруженности оборудования, управлению газовыделепием и утилизации шахтного метана. Повышение энерговооруженности оборудования достигается путем роста энергопотребления рт внешних сетей, дегазация не учитывает в полной мере фактор изменения состояния массива горных пород под воздействием очистных работ, добыча и утилизация шахтного метана, составляющего до 0,3% от теплотворной способности добываемого угля, не представляет прямого экономического интереса для производственников.
В то же время повышение энерговооруженности очистного механизированного комплекса на 25% обеспечивает рост производительности труда более чем в 2 раза, нагрузки
на очистной- забой в 1,8 раза. Ресурсы метана на» действующих горизонтах шахт позволяют с учетом возможностей современных технологий получить количество энергии, достаточное для повышения энерговооруженности шахт на 18— 22%. .
Выбрасываемый в атмосферу из шахт метан способствует развитию парникового эффекта. По сравнению с углекислым газом сила его воздействия в зависимости, от периода в 20—60 раз больше.
По рекомендациям Комитета по энергетике Европейской экономической комиссии ООН уже в настоящее время требуется сократить выбросы метана на 50—70%- Этого можно добиться путем промышленного использования шахтного газа.
Анализ состояния проблемы в такой, постановке показывает, что основными факторами, сдерживающими ее решение, являются несовершенство решения задач газовой динамики углевмещающих горных массивов и действующих выработок, находящихся в зоне влияния горных работ, применение методов управления газовыделением с ограничением содержания метана в действующих выработках нижним безопасным пределом, отсутствие комплексного подхода при создании технологии извлечения шахтного метана и его утилизации.
Повышение интенсивности горных работ на пологих высокогазоносных угольных пластах и энерговооруженности производственных процессов шахт возможно на основе обобщения и установления общих закономерностей управления состоянием газонасыщенного горного массива и действующих выработок направленным влиянием очистных работ, извлечения метана требуемого качества, его использования в производственном цикле угольной шахты.
Поэтому научная проблема повышения эффективности работы шахт на основе промышленного использования метана, обеспечивающего рост интенсивности горных работ и энерговооруженности производственных процессов, имеет важное народнохозяйственное значение.
Целью диссертации является разработка комплекса технологических решений по промышленному использованию шахтного метана, обеспечивающего рост интенсивности горных работ на пологих высокогазоносных угольных пластах и энерговооруженности производственных процессов на шахтах.
Идея работы состоит в том, что технологические решения по промышленному использованию метана базируются на управлении газодинамическим состоянием выемочного участка путем направленного воздействия очистными работами на газонасыщенный горный массив, создании крупных
подземных коллекторов шахтного метана, пригодного для прямой планомерной утилизации, использовании метана для повышения интенсивности горных работ и энерговооруженности производственных процессов.
Методы исследований — комплексные, включающие анализ и научное обобщение литературных и фондовых материалов, аналитические исследования с использованием фундаментальных законов газовой динамики, шахтные эксперименты с использованием апробированных методик и обработки результатов методами математической статистики.
Научные положения, выносимые на защиту:
существенное повышение эффективности ра'боты шах г на пологих газоносных угольных пластах достигается рациональным сочетанием технологий управления газовыделением, обеспечивающих снижение уровня ограничений по газовому фактору интенсивности горных работ, и использованием извлекаемого метана для повышения энерговооруженности производственных процессов. Технологии упраівления газовыделением базируются на снижении содержания метана в действующих выработках до нижнего безопасного предела или создания в выработках инертной газовой среды путем заполнения их метаном. В обоих случаях из шахт извлекается метаиовоздушная смесь, пригодная для прямой и планомерной утилизации и получения энергии, используемой шахтными потребителями. Такой подход к роли шахтного метана позволяет существенно снизить ограничение по газовому фактору интенсивности горных работ и обеспечивает рост энерговооруженности производственных процессов без увеличения энергопотребления от внешних сетей;
теоретические основы технологии накопления метана, подготовки и извлечения газа для утилизации базируются на закономерностях газодинамических процессов в разгружаемом под влиянием очистных работ горном массиве. В этой области горного массива существует нестационарная зона, определяющая газовыделение в горные выработки и скважины. Границами зоны являются поверхности, через которые практически отсутствует движение газа. Эта зона является объемом для газонакопления и газоподготовки. При размещении в ней фильтрующей части скважины извлекается метаиовоздушная смесь требуемого качества. Такой подход позволяет создать технологию извлечения кондиционного метана в объемах, составляющих основную часть ресурсов газа на действующих шахтах;
— движение газа в разгруженном горном массиве представляется в виде потока метана из сближенных пластов.и газоносных пород в вертикальном направлении и движения газа в плоскостях, параллельных разрабатываемому пласту. Эта область представляет собой трещиновато-пористую сре-
ду, содержащую источники метановыделения. Движение в ней считается изотермическим ламинарным и описывается законом Дарси. Математическая модель газодинамического состояния системы разгружаемый горный массив — очистной забой — скважина является адаптивной и строится на основе уравнения неразрывности фильтрации сжимаемого газа в трещиновато-пористой среде. Полученные закономерности переноса метана позволяют установить размеры и координаты зоны массива, в которой осуществляется газонакоп-леиие и газоподготовка метана в широком диапазоне горногеологических условий и являются основой для определения порядка отработки пластав в шахтном поле и параметров технологии извлечения метана;
при абсолютной метанообильностн выемочного участка свыше 24 м3/мин (условия Кузнецкого и Карагандинского бассейнов) целесообразна их отработка в изолированном от общешахтной атмосферы пространстве, заполненном инертной газовой средой. Эта технология снимает ограничения по газовому фактору интенсивности горных работ, а изолированные горные выработки являются объемом для накопления метана и его подготовки. Газодинамические процессы заполнения изолированного пространства метаном и управления параметрами инертной газовой среды описываются нестационарным уравнением диффузии метана вдоль выработок. Процесс разгазирования выработок описывается нестационарным уравнением турбулентной диффузии с учетом переноса метана вентиляционной струей;
технология использования шахтного метана для повышения энерговооруженности производственных процессов создается как единый комплекс работ по извлечению метана и его утилизации на действующих шахтах; она должна быть мобильной, показатели ее эксплуатации соответствовать широкому диапазону параметров источников метановыделения. Транспортирование газа в протяженных газопроводах осуществляется под избыточным давлением. Выбор рациональной технологии в конкретных горно-геологических условиях осуществляется по критерию, отражающему соотношение энергетических затрат на ее реализацию и прироста энерговооруженности шахты. Эффективность функционирования технологии оценивается ростом эффективности добычи угля;
вскрытие ц подготовка новых горизонтов шахт (свыше 300 м для Кузнецкого и свыше 500 м для Карагандинского бассейнов) осуществляется с учетом управления состоянием газонасыщенного горного массива направленным влиянием очистных работ, создания крупных подземных коллекторов метана требуемого качества, планомерного извлечения и утилизации метана, использования полученной энергии для повышения энерговооруженности производственных процес-
сов на шахте. Отработка особо газообильных участков осуществляется в изолированном от общешахтной .атмосферы пространстве, заполненном инертной газовой средой. Действующие выработки являются объемами для накопления метана.
Защищаемые научные положения определяют теоретические основы технологии промышленного использования шахтного метана для повышения интенсивности горных работ и их энерговооруженности. Практическое использование научных положений обеспечивает снижение затрат на дегазацию на действующих горизонтах в 1,2—1,3 раза, снижение затрат на управление газовыделением на новых глубоких горизонтах в 7—9 раз, снижение потерь производительности очистного оборудования при нагрузках на лаву свыше 3000 т/сут на 25—30%, извлечение метана в объемах, достаточных для покрытия прироста энергозатрат шахт за счет энергетического потенциала шахтного метана (7—8% в год).
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
согласованностью научных предпосылок решения проблемы повышения эффективности работы шахт с общей теорией подземной разработки угольных месторождений;
удовлетворительной сходимостью результатов аналитических исследований газодинамических процессов в разгруженном горном массиве и действующих выработкам, базирующихся на фундаментальных законах газовой динамики и экспериментальных исследований в шахтных условиях (32 шахты, 42 выемочных участка, 430 скважин). Абсолютное отклонение полученных результатов не превышает 15%;
положительным опытом внедрения разработанных решений по управлению газодинамическим состоянием выемочных участков, созданию крупных подземных коллекторов метана, извлечению и планомерной утилизации метана (на 5 шахтах трех угольных бассейнов).
Научная новизна работы заключается в следующем:
обоснован методологический подход к использованию шахтного метана для повышения эффективности подземной разработки пологих высокогазоносных угольных пластов, основанный на росте интенсивности горных работ и энерговооруженности производственных процессов шахт;
установлены зависимости параметров газодинамического состояния разгруженных горных массивов от горно-геологических условий, определяющих область эффективного применения разрабатываемых технологических решений;
установлены закономерности показателей накопления метана, его подготовки, извлечения газа скважинами и газовыделение в горные выработки при направленном влиянии
очистных работ на газонасыщенный горный- массив, учитывающие изменение газодинамического состояния горного массива во всей разгруженной области и в период времени, достаточный для извлечения основной доли ресурсов метана на участке шахтного поля; .
обосновано предположение о волновом характере изменения газодинамических характеристик подрабатываемого горного массива в вертикальном направлении, разработаны модель процесса, методика и установлены параметры процесса для некоторых шахт Карагандинского бассейна;
разработана общая адаптивная математическая модель газодинамического состояния системы разгружаемый горный массив — скважина — очистной забой и установлены закономерности накопления метана, его подготовки и извлечения кондиционного газа;
обоснована структура технологии ведения горных работ в изолированном пространстве шахты, заполненном инертной газовой средой и комплекса основных технических решений. Разработана математическая модель и установлены закономерности создания и управления инертной газовой средой, разгазирования выработок, извлечения кондиционного метана из изолированного пространства действующих, выработок;
обоснованы отличительные признаки шахтного метана как энергоносителя, разработаны классификация и принципы создания технологий утилизации метана, критерий и методика выбора технологии в конкретных условиях;
разработана методология принятия решений по промышленному использованию шахтного метана, обеспечивающая в различных горно-геологических условиях существенный рост интенсивности горных работ и энерговооруженности производственных процессов шахт.
Научное значение работы заключается в обобщении опытных работ по управлению газодинамическим состоянием разгруженного горного и действующих выработок, созданию крупных подземных коллекторов метана, промышленному использованию извлекаемого гава для повышения эффективности работы шахт, разработке методологии развития работ по использованию метана в производственной деятельности шахт, обеспечивающих рост их показателей в ухудшающихся горно-геологических условиях.
Практическое значение работы заключается в следующем:
— разработаны технологические схемы и параметры уп
равления газовыделением выемочных участков направлен
ным влиянием очистных работ на газонасыщенцый горный
массив, обеспечивающие снижение ограничений по газовому
фактору на интенсивность горных работ, создание крупных
подземных коллекторов метана требуемого качества и его планомерного извлечения;
разработаны основные технологические решения по отработке особо газообильных участков шахтных полей в инертной газовой среде, снимающие ограничения по газовому фактору на интенсивность горных работ, обеспечивающие накопление метана требуемого качества в действующих выработках и его извлечение;
разработана технология газоснабжения шахтных потребителей от рассредоточенных в пространстве источников без снижения качества газа на базе существующего дегазационного оборудования;
разработаны технологии и установки по использованию шахтного метана для производства электрической и тепловой энергии, а также заправки технологического транспорта шахт, обеспечивающие повышение энерговооруженности производственных процессов шахты на 20%;
разработаны требования к технологии промышленного использования шахтного метана, отражающие процессы создания подземных коллекторов метана на стадии вскрытия новых горизонтов, его извлечение, утилизацию ні использование получаемой энергии для производственных нужд шахт.
Реализация работы:
разработанные отраслевые Методические рекомендации по проектированию дегазации сближенных пластов и выработанных пространств угольных шахт внедрены на шахтах Донецкого, Кузнецкого и Карагандинского бассейнов;
разработанная «Методика определения параметров управления газовыделением выемочного участка скважинами с поверхности с извлечением кондиционного метана» внедрена на шахтах Карагандинского бассейна и прошла апробацию на шахтах Кузнецкого бассейна;
разработанные Рекомендации по автоматизированному проектированию дегазации скважинами с поверхности с извлечением метана, пригодного для прямой утилизации внедрены на шахтах ПО «Донецкуголь», «Карагандауголь» и прошли апробацию на шахтах ассоциации «Ленннскуголь»;
«Концепция угольной шахты закрытого типа с безопасной технологией горных работ в изолированной инертной газовой среде» включена в государственную программу Российской Федерации по приоритетным направлениям науки и техники;
разработанная технология использования шахтного метана для повышения энерговооруженности производственных процессов шахт и изготовленное совместно с институтом ВНИИгаз оборудование внедрено на 4 шахтах. Технология
принята опытным заводом института ВНИИгаз к мелко-серийному производству;
— разработанные предложения по вскрытию и подготовке новых горизонтов шахт ассоциации «Ленинскуголь» приняты институтом «Кузбассгипрошахт» к использованию при проектировании новых горизонтов шахт.
Апробация работы. Основные положения диссертации были обсуждены и одобрены на Всесоюзной конференции по проблеме подземной разработки угольных месторождений (МГИ, 1982 г.), научно-техническом совете бюро по топливу СМ СССР (1989 г.), секции по углю научно-технического совета ГКНТ СССР (1990 г.), научно-технических советах ПО «Карагандауголь», ПО «Ленинскуголь» (1989—1992 гг.), научных семинарах кафедры «Технология, механизация и организация подземной разработки угля» Московского горного института.
Публикация. Основные положения диссертации опубликованы в 28 научных работах, в том числе 4 авторских свидетельствах.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы из 160 наименований, 7 приложений, изложена на 396 страницах, в том числе 88 рисунков, 43 таблицы.
Автор выражает благодарность руководителю проблемы, член-корреспонденту РАН Пучкову Л. А., профессорам Ва-сючкову Ю. Ф., Кузнецову Ю. Н., Ножкину Н. В., Черняку И. Л., Ярунину С. А. за научные консультации при решении проблемы. Автор признателен сотрудникам производственных объединений «Ленинскуголь», «Карагандауголь», «Донецкуголь», Жмуровскому Д. И., Мазикину В. П., Бай-мухаметову С. К., Швецу И. А., Мукаеву М. Т., Пудаку В. В., Егорову С. И., а также сотруднику института ВНИИгаз Ксе-нофонтову С. И. за содействие в выполнении экспериментальной части работы.
