Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса 9
1.1. Запасы и состояние метана в угольном месторождении Карагандинского бассейна 9
1.2. Концентрация и интенсификация горного производства. Применяемые способы дегазации 17
1.3. Опыт концентрации работ по дегазации на шахтах бассейна в управлении «Спецшахтомонтаждегазация» 25
1.4. Анализ применяемых на шахтах Карагандинского бассейна способов дегазации 30
1.5. Анализ технологий утилизации шахтного метана.34
1.6. Цель, идея и задачи исследований 43
Выводы 45
2. Исследования эффективности комплексной дегазации при работе выемочных участков 47
2.1.Формирование техногенного газового коллектора в выработанном пространстве действующего очистного забоя...47
2.2. Исследование работы вертикальных скважин с поверхности в купола обрушения 55
2.3. Исследования работы подземных скважин, пробуренных из оконтуривающих выработок в купола обрушения 64
2.4. Исследования комплексных схем извлечения метана из выработанного пространства 66
2.5. Анализ структуры газового баланса высоко производительных выемочных участков 73
Выводы 75
3. Заблаговременная дегазационная подготовка как основа совершенствования дегазации в Карагандинском угольном бассейне 77
3.1. Обоснование необходимости заблаговременной дегазационной подготовки для повышения безопасности отработки угольных пластов в Карагандинском бассейне 77
3.2. Технологии расчленения угольных пластов 84
3.3. Анализ эффективности гидрорасчленения угольных пластов на ранее обработанных участках 90
Выводы 106
4. Совершенствование технологии заблаговременной дегазации 108
4.1. Механизм пневмогидродинамического воздействия с обработкой пласта в режиме кавитации 113
4.2. Разработка параметров технологии пневмогидродинамического воздействия с обработкой пласта в режиме кавитации 116
4.3. Исследования эффективности новой технологии 123
Выводы 127
5. Технико-экономическая эффективность и область применения новых способов заблаговременной дегазационной подготовки 129
5.1. Оценка технико-экономической эффективности новых способов заблаговременной дегазационной подготовки 129
5.2. Экологическая эффективность использование метана в теплоэнергетике шахты 139
5.3. Рекомендации по заблаговременной дегазационной подготовке угольных пластов Карагандинского бассейна 142
Выводы 149
Заключение 150
Литература 152
- Концентрация и интенсификация горного производства. Применяемые способы дегазации
- Исследование работы вертикальных скважин с поверхности в купола обрушения
- Анализ эффективности гидрорасчленения угольных пластов на ранее обработанных участках
- Разработка параметров технологии пневмогидродинамического воздействия с обработкой пласта в режиме кавитации
Введение к работе
Проблема шахтного метана в современном горном производстве рассматривается как проблема обеспечения безопасности и экономической эффективности высокопроизводительной добычи угля; как проблема промышленного использования метана в энергетике и других отраслях и как экологическая проблема, связанная с поступлением метана в атмосферу при подземной разработке угольных пластов. При подземной добыче угля проблема метана прежде всего важна с точки зрения обеспечения безопасности горных работ и повышения экономической эффективности их функционирования.
В настоящее время основной объем угледобычи в Карагандинском угольном бассейне приходится на Угольный департамент ОАО «Испат Кармет», в собственность которого в 1996 г. перешло 15 из 26 угольных шахт. При этом были реализованы мероприятия по концентрации горного производства. Путем объединения шахтного фонда количество шахт в настоящее время сокращено до 8. Угольным департаментом ОАО «Испат Кармет» взято направление на отработку рентабельных высокопроизводительных очистных забоев с переходом к более совершенному по уровню концентрации и интенсификации горных работ, технологическому процессу «шахта - лава».
В этих условиях резко повышается абсолютная газообильность выемочных участков, и только комплексная дегазация позволяет ведение горных работ с высокими технико-экономическими показателями. Но даже при эффективности комплексной дегазации в 75-80 % абсолютное газовыделение в атмосферу шахты достигает 30 м /мин и сдерживает интенсивность отработки угольного пласта. Достигнутая в настоящее время эффективность комплексной дегазации в значительной мере определяется 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 4-5 тыс. т в сутки возможно за счет заблаговременного извлечения метана из угольного пласта. Поэтому обеспечение метанобезопасности на основе заблаговременной дегазационной подготовки является актуальной для угольной отрасли задачей.
Целью работы является установление закономерностей извлечения метана при заблаговременной дегазационной подготовке от технологии и параметров активных воздействий на высоко газоносный выбросоопасный угольный пласт для повышения метанобезопасности угольных шахт.
Идея работы — совершенствование технологий активных воздействий на угольный пласт базируется на обеспечении условий самоподдерживающегося разрушения угля, а повышение
метанобезопасности достигается применением технологических схем дегазационной подготовки с учетом требуемой интенсивности угледобычи. Основные научные положения, выносимые на защиту и их новизна:
- в условиях интенсивной разработки высоко газоносных угольных пластов метанобезопасность может быть обеспечена при условии использования всего комплекса дегазационных работ с обязательным применением заблаговременной дегазационной подготовки;
- выбор технологии заблаговременной дегазационной подготовки шахтных полей определяется необходимым уровнем снижения газовыделения из разрабатываемого пласта с учетом горно-геологических условий его залегания;
- совершенствование заблаговременной дегазационной подготовки должно вестись по совокупности направлений, включающей вскрытие пласта с кавернообразованием и последующее пневмогидродинамическое воздействие с определенными параметрами, обеспечивающими реализацию режима кавитации.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
представительным объемом шахтных исследований (17 скважин на двух шахтных полях);
положительными результатами промышленной апробации разработанных технологических схем заблаговременной дегазационной подготовки;
корректным использованием методов математической статистики при обработке результатов исследований. Научное значение работы заключается в развитии исследований механизма самоподдерживающегося разрушения угля при его использовании в технологии заблаговременной дегазационной подготовки и установлении закономерностей эффективности извлечения метана. Практическая ценность работы состоит в следующем: -обоснованы параметры пневмо гидродинамического воздействия с обработкой пласта в режиме кавитации, которые вошли в проект, утвержденный в установленном порядке;
-апробированы технология гидрорасчленения с выдержкой рабочей жидкости в пласте и технология расчленения пласта вспенивающими растворами и химически активными газами на скважинах № 28 и 30 поля шахты «Казахстанская» и определена их эффективность;
определена область применения новых технологий заблаговременной дегазационной подготовки с учетом обеспечения метанобезопасности при требуемой нагрузке на очистной забой. Реализация работы. Разработанные параметры
пневмо гидродинамического воздействия с обработкой пласта в режиме кавитации внедрены на поле шахты «Казахстанская» Угольного департамента ОАО «Испат-Кармет» при заблаговременной дегазационной подготовке особо выбросоопасного пласта Де при его обработке через скважины ГРП-25 и ГРП-26.
Апробация работы. Основное содержание диссертационной работы докладывалось в составе научно-технических отчетов в Угольном департаменте ОАО «Испат Кармет» (1999-2002 гг.), на ежегодных научных симпозиумах «Неделя Горняка» (1999-2003 гг.), научном семинаре и заседании кафедр «Аэрология и охрана труда» и «Инженерная защита окружающей среды» МГГУ (2002 г.).
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 7 печатных работах, в том числе в 3 авторских свидетельствах.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, содержит 35 таблиц, 38 рисунков, список литературы из 83 наименований.
Концентрация и интенсификация горного производства. Применяемые способы дегазации
Подземная добыча угля в Карагандинском угольном бассейне ведется со второй половины восемнадцатого века, когда в урочище Караганды-басы было открыто 13 мелких шахт глубиной 20-25 м. С 1856 по 1886 годы было добыто около 300 тысяч тонн угля, т.е. примерно по 10 тыс т. в год , а с 1887 по 1898 годы добыча угля была остановлена в связи с консервацией Спасского завода и отсутствием других потребителей. Добыча угля была возобновлена в 1899 году, когда приток капитала в Казахстан вызвал рост горнодобывающей промышленности. С 1915 по 1920 годы добыча угля составляла от 14 до 66 тысяч тонн в год.
В 1931 году был организован трест «Карагандауголь» и начато строительство наклонных шахт, которыми в 1932 году было добыто 722 тысячи тонн угля. С этого периода началась эффективная подземная добыча угля. В 60-80 годах прошлого века главным направлением повышения эффективности угледобычи на шахтах было увеличение концентрации производства и переход на комплексную механизацию горных работ. В Карагандинском угольном бассейне концентрация горного производства совпала с переходом на комплексную механизацию и осуществлялась путем объединения и реконструкции шахт. В табл. 1.3 рассмотрены технико-экономические показатели работы объединенных и не объединенных шахт [ 2 ] , свидетельствующие об эффективности этого мероприятия.
В 1975 году объединенными шахтами было добыто 18,34 млн. тонн из общего объема подземной добычи в бассейне 43,0 млн.т. При этом количество действующих очистных забоев сократилось на 39,2%, а нагрузка на очистной забой (в среднем по бассейну) увеличилась с 499 до 893 т/сут [ 2 ].
С 1960 года в Карагандинском бассейне начали внедряться механизированные комплексы с переходом добычи угля от широкозахватных комбайнов & узкозахватным. С 1961 года по 1975 год удельный вес угля, добываемого широкозахватными комбайнами с индивидуальной крепью уменьшился с 72,6 до 0,1 %, а узкозахватными увеличился с 0,7 до 96,3 %, при этом доля угля, добываемого механизированными комплексами возросла с 0,4 до 73,6 %. Внедрение механизированных комплексов позволило увеличить нагрузку на очистной забой с 300-400 тонн до 1100 тонн в сутки. При этом производительность труда рабочего очистного забоя на выход увеличилось с 7,0 до 18,6 тонн. Определенный интерес представляют исследования зависимости себестоимости от уровня угледобычи [ 2 ], которые показывают, что повышение добычи угля из очистного забоя на 10% позволяет снизить себестоимость в среднем по комплексно механизированному забою на 5-7 %.
Наибольший годовой объем подземной добычи угля в бассейне приходится на 1985-1990 годы, когда он составлял 40-43 млн.тонн в год. В 1993-1995 годы объем подземной добычи угля резко сократился до 6-8 млн. тонн в год, что обусловлено реструктуризацией угольной отрасли с переходом на рыночные отношения и сокращением рынка сбыта, в основном энергетического угля.
В настоящее время основной объем угледобычи в Карагандинском угольном бассейне приходится на Угольный Департамент ОАО «Испат -Кармет», в собственность которого в 1996 году перешло 15 из 26 угольных шахт. При этом были реализованы мероприятия по концентрации горного производства. Путем объединения шахтного фонда количество шахт в настоящее время сокращено до 8.
В последние годы в Угольном Департаменте ОАО «Испат-Кармет» взято направление на отработку рентабельных высокопроизводительных очистных забоев. При резком снижении количества одновременно работающих очистных забоев до 13-15, среднесуточная нагрузка на очистной забой повысилась до 2000-1500 тонн в сутки . Динамика изменения количества лав и среднесуточной нагрузки на очистной забой за период с 1995 по 2001 годы представлена на рис. 1.1. Опыт работы шахты «Саранская» с нагрузкой на лаву до 8000 тонн в сутки доказывает перспективность этого направления.
По существу шахты Угольного Департамента ОАО «Испат-Кармет» переходят к более совершенному по уровню концентрации и интенсификации горных работ технологическому процессу «шахта -лава», когда шахта может обеспечить требуемую добычу из одной лавы.
Обеспечение этой задачи возможно только на основе эффективной дегазации подготавливаемых к разработке угольных пластов и выемочных участков на уровне 75-90%.
Уже с середины XX века безопасное ведение горных работ на высоко газоносных и выбросоопасных пластах Карагандинского угольного бассейна потребовало разработки способов и средств дегазации.
Исторически дегазация подготавливаемых к разработке и разрабатываемых пластов развивалась как инженерное мероприятие, направленное на обеспечение безопасности труда горняков и повышение эффективности горного производства. Разработке способов и средств дегазации были посвящены работы А.А. Скочинского, В.В.Ходота, Г.Д.Лидина, С.А.Христиановича, А.Э.Петросяна, Н.В.Ножкина, В.И.Мурашова, Б.М.Иванова. Е.И.Преображенской и др.
В зависимости от источника газовыделения и объекта дегазации можно выделить следующие основные способы: заблаговременная дегазация через скважины с поверхности путем гидрорасчленения пласта ; предварительная дегазация разрабатываемых пластов ( пластовая дегазация); дегазация сближенных ( смежных ) угольных пластов и спутников; дегазация выработанного пространства действующих очистных забоев дегазация при ведении подготовительных выработок ( барьерная дегазация).
Исследование работы вертикальных скважин с поверхности в купола обрушения
Исследования работы вертикальных скважин, пробуренных с поверхности в купола обрушения, формирующиеся в выработанном пространстве действующих очистных забоев, проведены на восточном крыле поля шахты им. В.И. Ленина при работе лав 301-д6-1В - 303-д6-1В на особо выбросопасном пласте д6.[79]. Схема отработки этих выемочных участков представлена на рис.2.3. Отработка лав велась по падению с использованием прямоточной схемы проветривания и поддержанием конвейерного бремсберга в выработанном пространстве. Горные работы велись на глубине, изменяющейся по мере подвигания забоя лавы от 370 до 540 м, при этом природная газоносность пласта изменялась от 21 до 24 м / т угольных запасов. Выемка угля осуществлялась механизированным комплексом 2ОКП-70К с комбайном 1КШЭ при вынимаемой мощности пласта 3,3 -3,5 м. При этом мощность пласта д на этом участке шахтного поля составляла 5,3-5,6 м. В связи с высокой степенью выбросоопасности и газоносности пласта д на восточном крыле поля шахты им. В.И. Ленина применяется комплексная схема дегазации, включающая заблаговременную дегазацию скважинами гидрорасчленения, пластовую дегазацию и извлечение метана из куполов обрушения (см. рис.2.3).
Угольного Департамента ОАО «Испат-Кармет», ориентирующихся на работу по схеме «шахта - лава».
ГТри исследованиях дебитов и концентрации метановоздушной смеси проанализированы результаты работы 32 вертикальных дегазационных скважин и 2 скважин гидрорасчленения при их использовании для извлечения метана из куполов обрушения выработанного пространства, представленные в табл.2.3 и 2.4. На рис.2.4 представлен усредненный по этим скважинам дебит метана.
В зависимости от особенностей газовыделения , время эксплуатации вертикальных дегазационных скважин с поверхности можно разделить на следующие периоды : - подготовительный период. В этот период производится бурение и оборудование скважины. Практика показывает, что вертикальную скважину необходимо подготовить не менее, чем за 2-3 месяца до ее подсечения очистным забоем. При этом бурение скважины производится вне зоны влияния опорного давления, распространяющейся на расстояние 120-150 м впереди движущегося очистного забоя. период формирования коллектора газа в выработанном пространстве. Длительность этого периода составляет до 20-40 суток с момента подсечения скважины забоем лавы. При этом дебит газа составляет 0,2-0,8 м/мин при концентрации метановоздушной смеси 10-30 %, что обусловлено существующей связью формирующегося коллектора газа с очистным забоем. - период устойчивой работы скважины. Начало этого периода связано с резким ростом дебита газа до 4-12 м в минуту и повышением концентрации метана в извлекаемой смеси до 75-96 %. При этом основная часть газовыделения обусловлена разрушением оставляемой в выработанном пространстве части угольного пласта и пластов-спутников, попадающих в зону расслоения. На протяжение периода устойчивой работы скважины усредненный дебит метана (см. рис.2.4) экспоненциально снижается с 5,0 до 1,5 м 3 в минуту, а концентрация метана в извлекаемой смеси отличается высокими значениями до 75-90%, иногда временно понижаясь до 45-50 %. Время работы вертикальных скважин в устойчивом режиме при отработке столбов по падению изменяется в пределах от 60 до 120 суток и в среднем составляет 80 суток. Около половины всех скважин в конце этого периода резко прекращают газоотдачу, что обусловлено деформацией скважины. - период неустойчивой работы. На 80-120 сутки после подсечения линией очистного забоя оставшиеся работоспособными скважины начинают работать в неустойчивом режиме, который может достигать срока до одного года. Дебит метана в эти оставшиеся скважины находится на уровне 0,5-1,8 м в минуту с отдельными всплесками до 3 м / мин. Концентрация метана в извлекаемой смеси при этом составляет от 10 до 40%.
Анализ эффективности гидрорасчленения угольных пластов на ранее обработанных участках
В плане обеспечения безопасности ведения горных работ заблаговременную дегазационную подготовку угольных пластов путем их гидрорасчленения необходимо оценивать с учетом изменения фильтрационных характеристик массива с формированием техногенного газового коллектора в зоне обработки; существенного изменения физико механических свойств угля (влажность, пористость, прочность, пластичность и др.) в этом коллекторе и заблаговременного снижения газоносности угольного пласта.
Исследованиям влияния гидрорасчленения на снижение выбросоопасности угольного пласта, газообильности очистных и подготовительных выработок и оценке эффективности этого заблаговременного воздействия посвящены работы Н.В.Ножкина, С.А. Ярунина, Ш.У.Ахметбекова и др. [28, 53, 54 ]. С учетом этих исследований нами проанализированы известные данные, полученные при ведении горных работ в зонах гидрорасчленения на ранее обработанных участках шахтных полей Карагандинского бассейна. При этом особое внимание было обращено на изучение характеристик техногенного газового коллектора, сформированного в угольном пласте при его расчленении, что позволяет уточнить представления о механизме этого воздействия и наметить пути его дальнейшего совершенствования.
В общем виде техногенный газовый коллектор, сформированный при гидрорасчленении угольного пласта представлен на рис.3.4. Согласно исследований [ 55 ], зона гидрорасчленения представляет собой эллипс с большой ( R Г) и малой ( Rr2 ) полуосями, сориентированный большой полуосью по направлению наиболее развитой системы природной трещиноватости пласта. При этом Rr2 =0,7 R г1. Эффективный радиус воздействия в основном зависит от темпа внедрения рабочей жидкости и при темпах закачки 60-80 л/с для пластов Карагандинского бассейна на современных глубинах их разработки составляет R3 = 120-140 м. Тогда: Объем закачки рабочей жидкости определяется выражением где : С?ж - объем закачки рабочей жидкости, м ; кн - коэффициент нарушенности пласта, который принимается равным 1-1,8; тп — полная мощность пласта, м; пэ — эффективная пористость угольного пласта, долях единицы. Н — глубина залегания пласта, м.
Связь темпа закачки жидкости и эффективного радиуса определяется выражением Qp-( R3-90) (п mnп-Д ) /3,5. (3-6)
Отметим, что отдельные протяженные трещины гидрорасчленения могут распространяться на значительные расстояния (до 400 м) от скважины и выходить за пределы эллипса обработки. Техногенный газовый коллектор, сформированный в зоне гидрорасчленения, можно условно разделить на три части: - прискважиннуго часть ( 0-60 м от скважины), периферийную часть и область увлажнения, расположенную
Натурными исследованиями установлено, что ширина области увлажнения составляет 10-20 м.[ 56 ]. Образование области увлажнение связано с вырождением градиента давления рабочей жидкости из-за трения и превращением в этой области гидрорасчленения в напорную, а затем и в безнапорную фильтрацию. Наличие этой зоны проиллюстрируем рис.3.5 и 3.6, где представлены данные, полученные на полях шахт «Саранская» и им .Костенко. Характер изменения рабочей влажности и пористости угля в области увлажнения хорошо виден в зонах освоенных скважин (рис.3.5) и свидетельствует, что здесь массив увлажнен без увеличения трещиноватости (пористость угля на уровне природной).
Разработка параметров технологии пневмогидродинамического воздействия с обработкой пласта в режиме кавитации
Основой для выбора в качестве базовой технологии пгнвмогидрорасчленения послужили положительные результаты работ по интенсификации дебита газа из скважин гидрорасчленения путем пневмовоздействия на сформированный техногенный коллектор, которые были реализованы на шахте им. В.И.Ленина.
При освоении техногенного коллектора, сформированного в зоне скважины ГРП-6 вначале дебит метана составлял 0,02-0,05 м3/мин, затем озрос до 0,8-1,0 м /мин и оставался на этом уровне в течении трех лет до начала работ по интенсификации.
При интенсификации в скважину было подано 83 тыс. м сжатого воздуха температурой 60С. Закачка велась циклами по 4,45 тыс. м в каждом из циклов, количество которых составило 18. После каждого из циклов воздух стравливался. После интенсификации дебит метана резко возрос и спустя 25 суток составил 1,9 м /мин. Затем дебит метана плавно снизился до 1,2-1,4 м /мин и на этом уровне стабилизировался.
На скважине ГРП-8, техногенный коллектор в зоне которой начали осваивать спустя 10 месяцев после расчленения пласта, первоначальные дебиты воды и газа соответственно составляли 1,5-2,0 л/мин и 0,7 м /мин, а через полгода они снизились до 0,5 л/мин и до 0,12 м /мин . После интенсификации циклической закачкой сжатого воздуха в общем объеме 74 тыс. м дебит метана возрос до 1,5 м /мин.
Аналогичные результаты были получены и на других скважинах гидрорасчленения (скважины ГРП-2, ГРП-9, ГРП-10, ГРП-11) на этом шахтном поле. Анализ результатов интенсификации газовыделения из техногенных коллекторов, сформированных при гидрорасленении пласта, приведены в табл.4.1.
В целом процессу интенсификации путем закачки сжатого воздуха были подвергнуты практически половина скважин гидрорасчленения на этом шахтном поле.
Совмещение процесса гидрорасчленения с пневмообработкой формируемого техногенного коллектора сжатым воздухом позволяет обеспечить: -интенсификацию процесса проникновения воды в сорбционный объем угольного пласта и процесса замещения в нем метана; -очищение потоком сжатого воздуха магистральной системы трещин от мелкодисперсного штыба;
Однако, с увеличением глубины залегания пласта д6 до 500-600 м, эффективность пневмогидрорасчленения пласта снизилась, и в этих условиях были проведены исследования процесса инициирования выброса угля из скважины при закачке и резком стравливании рабочих агентов (режима кавитации), проведенных на ряде скважин полей шахда им. В.И.Ленина и «Казахстанская» при отработке параметров новой технологии (скв. № 15, 17, 22, 25, 26 ).
На скважине № 17 было осуществлено 5 последовательных циклов нагнетания воды в объеме 6 м3 при темпе 6-12 л/с, при давлении 8,5-10,0 МПа со сбросом давления после каждого из циклов. При этих параметрах не удалось спровоцировать выброс угля и газа из скважины.
Аналогичные результаты были получены на первоначальном воздействии через скважину №22. После этого было принято решение совместить пневмогидродинамическое воздействие с условиями, обеспечивающими самоподдерживающее разрушение угля. В скважину закачали около 1000 м3 воды с темпом до 75 л/с при давлении на устье 11,5 МПа. В процессе сброса давления в скважину произошел выброс угля в объеме 4,5 тонн.
При совмещении пневмогидродинамического воздействия с условиями, обеспечивающими самоподдерживающееся разрушение угля на скважине № 15 после обработки пласта циклические выбросы угля и газа наблюдались в течение месяца ( рис. 4.4).
