Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние исследований дегазации шахт. цель и задачи работы 11
1.1.Состояние изученности дегазации шахт 11
1.2. Анализ фактического состояния на шахтах Кузбасса 15
1.3.Цель и задачи работы 26
2. Методы наблюдений и выбор объектов исследований 27
2.1 .Обоснование выбранных методов исследований 27
2.2. Методика шахтных наблюдений и обработка данных 28
2.3.Выбор объектов исследований. 35
Выводы 53
3. Математическая модель газопереноса в деформированном массиве горных пород 54
3.1 .Физико-математическая модель фильтрации газа в деформированном массиве 54
3.2.Расчет газовыделения из деформированного пласта 55
Выводы 56
4. Исследование газовых балансов и газообильности выемочных столбов угля 58
4.1 .Изучение газовых балансов выемочных столбов 58
4.2. Исследование структуры газовых балансов в зависимости от добычи угля 61
4.3.Исследование газообильности выемочных столбов в зависимости от времени отработки 66
4.4.Исследование газообильности выемочных столбов в зависимости от площади выработанного пространства 68
4.5.Сравнительная оценка газообильности выемочных столбов расчетная с фактической 70
Выводы 74
5. Исследование эффективности способов дегазации выработанных пространств выемочных столбов 75
5.1 .Анализ условий применения дегазации при ведении горных работ.. 75
5.2.Исследование эффективности дегазации выработанных пространств скважинами, пробуренными над куполами обрушения 78
5.3.Дегазация подрабатываемых пластов и выработанных пространств скважинами, пробуренными с поверхности 83
5.4. Отвод метана из выработанного пространства по неподдерживаемой выработке к скважине 86
5.5.Способ дегазации смежных выработанных пространств выемочных полей фланговыми скважинами 91
5.6.Способ дегазации изолированных выработанных пространств 93
Выводы 98
6. Исследование эффективности и разработка способа дегазации угольных пластов 100
6.1. Анализ эффективности способов дегазации неразгруженных угольных пластов 100
6.2.Определение зон нарушений в угольном пласте 105
6.3.Выбор способа дегазации разрабатываемого пласта в соответствии с установленными в нем зонами в массиве
6.4.Определение газовыделения в скважины из пласта в зонах нарушений и вне этих зон 113
6.5.Определение эффективности дегазации выемочного столба угля с зонами нарушений 116
6.6.Разработка способа дегазации зон в разрабатываемом угольном пласте 127
6.7.Расчет параметров дегазации зон нарушений в угольном пласте при отработке столба 133
Выводы 136
Заключение 138
Литература 141
- Анализ фактического состояния на шахтах Кузбасса
- Методика шахтных наблюдений и обработка данных
- Исследование структуры газовых балансов в зависимости от добычи угля
- Отвод метана из выработанного пространства по неподдерживаемой выработке к скважине
Анализ фактического состояния на шахтах Кузбасса
Первые попытки извлечения метана из угольных пластов были предприняты в Англии в 1730 г., но только спустя более чем сто лет были получены ощутимые результаты по снижении общего дебита газа в горных выработках на шахтах Германии.
В настоящее время дегазация широко применяется на шахтах нашей страны и за рубежом.
Анализ показывает, что наиболее широкое распространение дегазация получила на шахтах ФРГ, СНГ, Англии и Японии.
В СНГ на необходимость дегазации указывали еще в 20-х годах акад. А.А.Скочинский, в 30-х годах проф. И.М.Печук, но ввиду отсутствия необходимой техники, развития она не получила.
Первые дегазационные установки в нашей стране были впервые внедрены в Кузбассе на шахтах «Северная» и "Коксовая-2" в 1951 году. В следующем году они начали применяться в Донбассе, а с 1955-1957 г.г на шахтах Карагандинского, Печерского, Львовско-Волынского и месторождениях Дальнего Востока [1]. Теоретические и практические вопросы дегазации не разрушенных, частично разрушенных массивов горных пород и выработанных пространств нашли развитие в трудах академических, отраслевых, учебных, проектных институтов ИПКОН РАН, им. А.А. Скочинского, ИГД СО РАН, ИУ Углехимии СО РАН, Воет НИИ, Мак НИИ, МТУ, ЛГУ, КарТУ, СибГМА, КузГТУ и др. Исследованиями многих отечественных ученых, например, А.А. Скочинским, А.Т. Айруни, Б.Д. Алидзае-вым, Д.В. Аюровым, А.С. Бурчаковым, А.И. Бобровым, Г.А. Беспятовым, В.А. Бонецким, Ю.Ф. Васючковым, СП. Брабандером, Ю.П. Ванжа, В.Н. Вылегжани-ным, Ф.М.Гайбовичем. К.А. Ефремовым, B.C. Забурдяевым, В.И. Ильиным, Н.Ф. Кременчуцким, Ф.С. Клебановым, В.А. Колмаковым, О.И. Касимовым, И.О. Калединой, Л.Н. Карагодиным, B.C. Лудзишем, Г.Д. Лидиным, В.П. Лавцевинем, A.M. Моревым, А.А. Мясниковым, Ю.Н. Малышевым, В.И. Мурашовым, В.П. Мазикиным, И.Д. Мащенко, Н.В. Ножкиным, В.Н. Пузыревым, Г .Я. Полевщико-вым, Л.А. Пучковым, М.А. Патрушевым, А.Э. Петросяном, Е.И. Преображенской, А.С. Рябченко, М.К. Сирошем, И.В. Сергеевым, В.В. Силаевым, А.В. Сурковым, Г.Г. Стеколыциковым, Б.Г. Тарасовым, В.В. Ходотом, О.И. Черновым, Л.А. Шевченко, С.А. Друниным и др. внесен существенный вклад в разработку мер борьбы с газопроявлениями в шахтах.
Дегазация угольных пластов и вмещающих толщ на шахтах осуществляется различными способами, в зависимости от вида газового коллектора и степени разгрузки его от горного давления.
В настоящее время все основные способы дегазации угольных пластов и вмещающих толщ разделены на 3 группы [2, 3]. - дегазация вмещающих пород и угольных пластов в зонах, не подверженных разгрузки от горного давления; - дегазация вмещающих пород и угольных пластов с использованием эффекта разгрузки их от горного давления; - дегазация выработанных пространств. Все эти способы включают в себя более десяти основных схем, в которых может быть выделено более 50 вариантов.
Способы дегазации не разгруженных угольных пластов широко применяются в Кузбассе, Караганде, КНР, Англии и в др. бассейнах и странах, где природная газопроницаемость угля достаточно высокая, чтобы отдавать газ.
По данным ряда исследований газообильность выработок в результате предварительной дегазации снижается в среднем на 30-50 %. Целесообразность применения этих способов, долгое время считавшихся не эффективными, в настоящее время доказана и находит все большее применение и развитие, что видно из рассмотрения следующей литературы [4, 5, 6, 7, 8, 9].
Однако, наибольшее распространение получили способы дегазации с разгрузкой пород от горного давления. В результате последней повышаются фильтрационные свойства и газоотдача под- и надрабатываемого массива.
По мнению некоторых исследователей [10 ,15,] при разгрузке пород, в них образуются полости (щели), в которых скапливается метан и при определенных условиях он проходит через междупластья в выработки разрабатываемого пласта.
Сущность данных способов дегазации заключается в улавливании и удалении метана из над- и подрабатываемых угольных пластов скважинами, пробуренными в пласт-спутник или в купол обрушения пород кровли или с помощью газосборных выработок. Данные способы позволяют удалять от 20 до 50% метана, а некоторые его варианты до 60-70%, что достаточно освещено в следующей литературе [12, 13].
Основным сдерживающим фактором в развитии способов дегазации с разгрузкой пластов от горного давления является недостаточная изученность фильтрационной способности пород в зонах влияния очистной выработки.
Отсос газа из выработанных пространств ограниченно применяется на шахтах, что вызвано трудностью изоляции завала и низкой эффективностью дегазации - 20-40%, ввиду небольшого содержания газа в метановоздушной смеси. Этот вопрос достаточно освещен в следующей литературе [14,15, 16,17] .
Изучение литературы по исследуемому вопросу показывает, что в настоящее время нет классификации путей повышения эффективности дегазации, а поэтому сделана попытка обобщить все известные пути по каждой из рассмотренных групп способов.
Методика шахтных наблюдений и обработка данных
Отличие математическое модели (3.6) от известных состоит в том, что она учитывает дебит метана в зонах нарушений пласта. С учетом математической модели разработана методика расчета газовыделения из зон нарушений угольного пласта, которая сводится к следующему: определяются зоны нарушений в пласте угля, составляется план расположения в пласте зон нарушений выемочного столба, бурятся скважины в зоны нарушений пласта и вне зон для контроля, рассчитываются параметры, входящие в формулы (3.1) - (3.5), рассчитывается расход газа скважин, пробуренных в зоны нарушений по формуле (3.6), определяются коэффициенты эффективности дегазации, рассчитываются радиусы влияния скважины, с учетом размеров и расположения зон и коэффициентов эффективности дегазации определяется необходимое число скважин по формуле: где В - ширина зоны нарушения. Пример расчет газовыделения в скважины из деформированного пласта на основании экспериментальных данных приведен в гл. 6.
На основе результатов исследований фильтрационного газопереноса в деформируемых угольных пластах можно сделать следующие выводы.
Разработана математическая модель газопереноса в напряженно-деформируемом массиве угольного пласта, отличающаяся учетом наличия зон нарушений в угольном пласте. 2. Для отработки выемочных столбов пологих пластов Кузбасса при бесце-ликовой схеме разработана методика расчета расхода газа угольного пласта в скважины, включая зоны нарушений.
На основе разработанной методики представляется возможным управлять переменным расходом газа и концентрацией газа в исходящих струях выемочного столба для исключения вспышек и взрывов газа.
Структура газовых балансов выемочных столбов определяет выбор мер борьбы с газом при ведении добычных и подготовительных работ.
В настоящее время структура газовых балансов действующих выемочных столбов согласно «Руководства» [23] включает газовыделение из разрабатываемо го угольного пласта и выработанного пространства. При этом считается, что газо выделение из разрабатываемого угольного пласта равномерно по длине столба. Исходя из этого проанализированы газовые балансы выемочных полей, вклю чающие два элемента (табл. 4.1). Таблица 4.1 Газовые балансы выемочных полей шахт ОАО «Ленинскуголь» Пласт Источник газовыделения: Лава №, выр. пространство, уклон (бр-г) № Абсолютная газообильность,м3/мин Процент от общей газообильности
Из таблицы 4.1 видно, что доля газовыделения из разрабатываемых угольных пластов составляет в среднем 23%, а из выработанных пространств - 77%. При этом в выемочных полях с высокой добычей угля доля газовыделения из разрабатываемого угольного столба повышается против средней величины до 46-68%. Это свидетельствует о необходимости более детально исследовать газообильность разрабатываемого угольного пласта для борьбы с газом при отработке выемочных столбов, включающих зоны повышенной газоотдачи.
В связи с этим возникает необходимость записать формулу структуры газового баланса выемочного столба в виде где JBC - газообильность выемочного столба; тпл - газообильность пласта вне зон; J3n - газообильность пласта в зонах;
Исследование структуры газовых балансов в зависимости от добычи угля. Анализ факторов, определяющих газовый баланс, то есть газоносности и газообильности угольных пластов, отрабатываемых шахтами «Ленинскуголь» произведен на основе зависимости (3.43) и данных табл. 4.2.
Из таблицы 4.2 видно, что шахтами района отрабатываются пологопадаю-щие средней мощности угольные пласты на глубинах от 100 до 450 м. Добыча угля с пласта составляет от 42 до 1215 тысяч тонн в год, что определяется горногеологическими и горнотехническими условиями. Природная газоносность уголь-ных пластов находится в пределах от 3 до 18 м / т. При этом абсолютная газо-обильность пластов по метану находится в пределах 1-69 м /мин, а относительная от 1,4 до 34,7 м / т. Одновременно с изменением величин абсолютной и относительной газообильности по метану изучалась газообильность пластов и по углекислому газу. Результаты показали, что величины абсолютной газообильности пластов по углекислому газу находятся в пределах от 0,3 до 24,4 м /мин, а относи-тельной соответственно от 0,7 до 12,4 м /т.
Проведенные исследования (табл. 4.3) показали, что абсолютная газообильность по метану и углекислому газу в зависимости от добычи угля и по длине столба (рис.4.1) изменяется по закономерности вида
Исследование структуры газовых балансов в зависимости от добычи угля
Данный способ разработан и внедрен на ш. «Комсомолец», ОАО «Ленин-скуголь». На рис. 5.6 показана схема реализации способа, который позволил путем управления расходом вертикально-горизонтальных дегазационных скважин, пробуренных в неподдерживаемые горные выработки получить коэффициент эффективности дегазации 0,6-0,8. Способ позволяет одновременно дегазировать до че-тырех выемочных полей и получать до 60 м /мин и более высококонцентирован-ного метана для использования в народном хозяйстве.
При этом определено, что управление расходом газа вертикальной скважины позволяет управлять величиной концентрации метана на сопряжении лавы с вентиляционным штреком.
Проведенные исследования эффективности данного способа дегазации позволили установить, что он позволяет снизить газообильность изолированных выработанных ранее отработанных и действующих выемочных участков.
Из рис. 5.6 видно, что газообильность скважины до 15 м /мин приводит к увеличению отсасываемого метана в замеренном пункте наблюдения до 4,5м /мин. При этом на сопряжении лавы с вентиляционным штреком в сторону Способ дегазации изолированных выработанных пространств
Данный способ разработан и реализован так же на ш. «Комсомолец» при отработке изолированных выработанных пространств выемочных столбов лав № 176 и 1842 пл Толмачевского. Опыт отработки действующего выемочного столба лавы № 1843 показал, что метан из вышележащих изолированных выемочных столбов через трещины в целиках угля дренируется в действующий вентиляционный штрек.
Предлагаемый способ предназначен для дегазации изолированных выработанных пространств, примыкающих к действующим горным выработкам. Целью применения способа является снижение газообильности участка и предотвращение загазирований горных выработок. Способ позволяет повысить безопасность труда горняков и улучшить технико-экономические показатели работ шахт, за счет отвода газа из изолированного выработанного пространства в частично изолированное пространство, а из последнего в общую исходящую вентиляционную струю (рис. 5.7).
Проведенные исследования позволили установить, что выделяющий метан из выработанного пространства изолированной лавы 176 увеличивал газообильность действующего вентиляционного штрека. Применение предложенного способа позволило дегазировать через скважины выработанное пространство лавы № 176 и снизить газообильность вентиляционного штрека № 1843 до 1,6 м /мин, т.е. в 1,8 раза (табл. 5.6).
Таблица 5.6 Зависимость расхода газа и концентрации вентиляционного штрека № 1843 пл. Толмачевского ш. «Комсомолец» от времени дегазации изолированного выработанного пространства
Схема дегазации изолированного выработанного пространства лав №176, 1842 (а) и характера изменения газообильности (б) лавы №1843 пласта Толмачевского шахты «Комсомолец»: 1 - скважины; 2 - газопроводы; 3 -камера разжижения газа; 4,5,6 - абсолютная газообильность на вентиляционном штреке №1843 у лавы; у уклона №4 и в отведенном по газопроводу струе в завал лавы №1842 соответственно; 7 - концентрация газа в газопроводе. работанного пространства, его обводненности и угла падения пласта, дегазационные скважины могут буриться в изолированное выработанное пространство из верхней, нижней или боковых выработок. Область применения способа расширяется в зависимости от уменьшения ширины целика, который при меньшей ширине интенсивней деформируется и легче пропускает через себя газ.
Способ осуществляется следующим образом. В шахтном поле выбирают выемочный столб, имеющий изолированное выработанное пространство, примыкающие к неизолированному, из которого газ может удаляться с помощью любого средства: общешахтного, участкового или газоотсасывающего вентилятора, ваку-умнасоса; геофизическим методом определяют состояние массива. Затем бурят через целик по одной или по две дегазационные скважины, в зависимости от газообильности выработанного пространства, в неизолированное и изолированное выработанные пространства с соблюдением минимального расстояния между ближайшими скважинами, соединяют их газопроводами, оборудуют газопроводы задвижками, и устройствами замера в них скорости движения смеси и отбора проб газа, герметизируют устья скважин, подключают неизолированное выработанное пространство к устройству удаления из него газа, открывают задвижки на газопроводах, замеряют расход газа удаляемого из изолированного выработанного пространства и концентрацию газа в смеси, рассчитывают расход удаляемого газа, затем замеряют расход газа, удаляемый вентиляционной струёй до и после дегазационных скважин, определяют величину разницы расхода газа, удаляемого вентиляционной струёй на штреке до и после скважин в течение времени достаточном для определения темпа снижения расхода газа на вентиляционном штреке до и после скважин. В координатах расход газа - время дегазации строят графики изменения расхода газа на вентиляционном штреке в местах до и после скважин при их работе, учитывают темпы снижения расхода газа на штреке по графикам, аппроксимируют кривые расхода газа на вентиляционном штреке до и после скважин во времени до пересечения кривых. Определяют по графику время от начала работы дегазационных скважин до точки пересечения кривых расхода газа удаляемого по штреку вентиляционной струей и производят в течение этого времени дегазацию изолированного выработанного пространства, замеряя при этом расход газа в газопроводах через требуемые периоды времени.
Способ внедрен при дегазации изолированного выработанного пространства лавы №176 и неизолированного выработанного пространства лавы № 1842, примыкающих к действующим выработкам лавы № 1843 пл. Толмачевского и может применяться в аналогичных условиях.
На основании исследований и анализа дегазации выработанных пространств обобщены схемы дегазации и их эффективность в Ленинском районе Кузбасса (табл.5.7).
Отвод метана из выработанного пространства по неподдерживаемой выработке к скважине
На основе проведенных исследований разработан способ дегазации разрабатываемого угольного пласта при проведении по нему подготовительных выработок, а после нарезки выемочного столба и при ведении очистных работ.
Известен способ предварительной дегазации не разгруженных угольных пластов при проведении выработок, включающий определение расстояний между скважинами, бурение восстающих (горизонтальных) и нисходящих скважин за контур будущих выработок, подсоединение скважин к вакуумнасосу и производство дегазации пласта.
Недостатком данного способа является малая производительность (расход) дегазационных скважин, неоптимальная их длина и число, поскольку скважины бурятся на равных расстояниях между ними по длине выемочного столба без учета естественной нарушенности угольного пласта.
Известен также способ дегазации неразгруженного угольного пласта в период проведения выработки, включающий бурение барьерных скважин длиной 100-150 м параллельно или под углом к оси выработки, подсоединение их к вакуум-насосу и производство дегазации пласта.
Недостатком данного способа является также малый расход, неоптимальное число, длина и равномерность распределения дегазационных скважин, ввиду не учета мест расположения естественных зон повышенной трещинова-тости в угольном пласте по длине выработок, оконтуривающих выемочный столб.
Наиболее близким способом того же назначения к данному способу по совокупности признаков является способ дегазации разрабатываемого угольного пласта, включающий выбор выемочного блока и выемочного столба в блоке, проходку оконтуривающих выемочный столб подготовительных выработок, бурение скважин по неравномерной сетке, их герметизацию и подключение скважин к устройству отсоса газа.
Недостатком данного метода является то, что неравномерная сетка расположения скважин определяется неравенством скоростей подвигания очистного забоя и движения фронта дегазационного бурения, а также разными сроками функционирования скважин и не учитывает наличие в пласте зон, которые определяют повышение газообильности выработок и возникновение динамических газопроявлений.
Созданием способа поставлена задача повышения безопасности труда горняков и улучшения технико-экономических показателей работы шахт, за счет снижения газообильности выработок и повышения производительности пластовых дегазационных скважин, извлекающих метан для промышленного использования.
При осуществлении способа получен следующий технический результат: повышен расход газа скважин из зон угольного пласта, снижена газообильность выработок и повышена экономичность способа дегазации, за счет бурения направленных скважин в зоны повышенной трещиноватости и газоотдачи угольного пласта.
Указанный технический результат при осуществлении способа достигается тем, что в известном способе в газоносном пласте угля выбирают выемочный блок и выемочный столб в блоке, проходят оконтуривающие выемочный столб подготовительные выработки одновременно или последовательно; бурят скважины, герметизируют их и подключают к устройству отсоса газа с возможностью изменения вакуума, дополнительно выбирают по периметру блока смежные выработки с выемочным столбом, производят разметку вдоль длины оконтуривающих выработок пикетов с шагом, обеспечивающим необходимую глубину контроля трещиноватости массива, определяют ориентацию преобладающей системы трещиноватости, наличие зон в массиве пласта методом радиоволнового зондирования и при наличии зон в выемочном столбе замеряют протяженность выемочного столба, ширину и число зон трещиноватости в пределах столба, расстояния между зонами и до выработки, замеряют углы ориентации зон относительно осей оконтуривающих выработок в плоскости пласта, определяют радиус влияния скважин, устраивают ниши в контурных выработках, учитывают порядок отработки столбов, направление зон в пласте и с учетом этого бурят барьерные и столбовые скважины в установленные зоны по длине всего столба или его части, подвигают забой выработки подготовительной или очистной, замеряют расстояния между скважинами и забоем при определении расхода газа скважин, пробуренных в зоны и вне зон, замеряют газообильность выработок подготовительных и очистных фактическую без дегазации и с дегазацией зон в пласте основными барьерными и столбовыми скважинами, определяют допустимую газообильность по фактору вентиляции без дегазации, сравнивают фактические и допустимые значения газообильности, определяют относительный коэффициент эффективности дегазации и поддерживают его на требуемом уровне путем регулирования вакуума, изменения расстояний между скважинами, длины и числа основных и дополнительных контурных и столбовых скважин, пробуренных в пласт с учетом зон и направления преобладающей трещиноватости по угольному пласту (рис. 6.8).
Предложенный способ позволяет: повысить расход газа, удаляемого из зон угольного пласта, и оптимизировать длину и число скважин, пробуренных в зоны и между ними по угольному пласту для поддержания относительного коэффициента эффективности дегазации на требуемом уровне.
