автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Повышение эффективности работы шахт на основе промышленного использования метана

Министерство науки, высшей школы и технической политики Российской Федерации

Московский ордена Трудового Красного Знамени горный институт

На правах рукописи

КРАСЮК Николай Николаевич

УДК 622.272 : 622.831.325.004.82

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ШАХТ НА ОСНОВЕ ПРОМЫШЛЕННОГО ИСГ .ЛЬЗОВАНИЯ

МЕТАНА

Специальность 05.15.02 — «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1993

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени горном институте.

Научный консультант академик РАЕН, проф., докт. техн. наук БУРЧАКОВ А. С.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. АЙРУНИ А. Т., докт. техн. наук, проф. ГРИНЬКО Н. К., докт. техн. наук, проф. ПЕТРОВ А. И.

Ведущая организация: институт «Центрогипрошахт».

Защита диссертации состоится « 1993 г.

в ./.-Счас. на заседании специализированного совета

Д-053Л2.02 при Московском ордена Трудового Красного Знамени горном институте: 117935, ГСП, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан «

» . . 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета

докт. техн. наук, проф. КУЗНЕЦОВ Ю-. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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-геологических условиях и обеспечить в относительно благоприятных условиях существенный рост показателей подземной добычи угля.

Применение механизированных комплексов очистного оборудования с повышенной энерговооруженностью и несущей способностью и 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 слабым« связями-в решении составляющих проблему задач, которые сводятся- к повышению энерговооруженности оборудования, управлению газовыделением и утилизации шахтного метана. Повышение энерговооруженности оборудования достигается путем роста энергопотребления от 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 гавом 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 н обработки результатов методами математической статистики.

Научные положения, выносимые на защиту:

— существенное повышение эффективности работы 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 управления газовыделением базируются на снижешги 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 метановоздушная 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 метановоздушная 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 — сюважина 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 пластов 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 п 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 и 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 на1 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 газа 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 управления газовыделением выемочных участков направленным влиянием очистных работ на газонасьиценцый 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 ц 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 «Леиннскуголь»;

— «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.

Основное содержание работы

Проблема повышения эффективности работы шахт при разработке высокогазоносных угольных пластов сформировалась более четверти века назад, но особенно остро встала в последнее десятилетие, когда делаются попытки упорядочить отработку запасов шахтных полей с меньшими потерями угля при одновременном росте глубины горных работ и внедрении высокопроизводительной техники. Достигнутые к настоящему времени результаты в управлении газовыделением позволяют поддерживать уровень добычи, в то же время нагрузки на очистной забой на газоносных пластах на 35— 50% ниже, чем в аналогичных условиях на негазовых шах-

тах, уровень утилизации метана' из систем дегазации не превышает 22% при1 2% в Кузнецком бассейне.

Теория и практика эффективной отработки пологих угольных пластов подземным способом развиты в трудах Бурча-кова А. С., Адилова' К. Н., Баймухаметова С. К-, Гриц-ко Г. И., Гращенкова Н. Ф., Дрижда Н. А., Егорова П. В., Малышева Ю. Н., Черняка И. Л., Ялевского В. Д. и др.

Проблема эффективного управления состоянием газонасыщенной угленосной толщи и газовыделением в шахтах решается в работах Айруни А. Т., Васючкова Ю. Ф., Лиди-на1 Г. Д., Морева А. М., Мурашова В. И., Мясникова А. А., Матвиенко Н. Г., Ножкина Н. В., Пучкова Л. А., Сергеева И. В., Ушакова К. 3., Ярунина С. А. и др.

Результаты исследований этих ученых составляют научные основы технологии эффективной отработки газоносных угольных пластов, обеспечивающие планомерное развитие угольной отрасли на современном этапе.

Полученные в труда-х Бухны Д. И., Гайбовича Ф. М., За-бурдяева В. С., Касимова О. И., Рудакова В. Е., Устинова А. М. и др. для конкретных условий зависимости газодинамического состояния вые'мочных участков от ряда горногеологических и горнотехнических факторов находят практическое применение при проектировании дегазации шахт.

Вопросы утилизации шахтного метана получили значительно меньшее освещение в литературе и представлены в работах Мясникова А. А., Серова В. И., Гуревича Ю. С., Швеца И. А. и др.

Подход к проблеме использования энергетического потенциала метана для повышения энерговооруженности шахт намечен в работах Жмуровского Д. И.

Некоторые аспекты проблемы отработки запасов угля в инертной газовой среде развиваются в работах Тулина В. С., Проявкина Е. Г., Савенко Ю. Ф. н др.

Недостаточная эффективность научных положений и практических результатов, полученных в трудах указанных авторов, объясняется отсутствием единого комплексного подхода к решению проблемы, основанному на использовании собственно шахтного метана для роста показателей разработки высокогазоносных угольных пластов. Такой подход можно квалифицировать как промышленное использование метана для повышения эффективности производственной деятельности шахт.

В соответствии с результатами анализа проблемы повышения эффективности работы шахт при разработке высокогазоносных пологих угольных пластов определен комплекс задач исследований:

— обосновать новый подход к роли шахтного метана, в технологии подземной отработки высокогазоносных уголь-

ных пластов, обеспечивающий рост интенсивности горных работ и энерговооруженности производственных процессов шахт; '

— изучить газодинамические процессы в подрабатываемой угленосной толще и выработках выемочного участка на основе комплекса шахтных экспериментов в широком диапазоне горно-геологических условий с целью обоснования предпосылок для их научного обобщения;

— теоретически обобщить газодинамические процессы и их связь с очистными работами для разработки универсальной методики проектирования дегазации, создания подземных коллекторов метана, накопления газа, его подготовки и извлечения кондиционного метана из разгруженного горного массива;

— изучить принципы, разработать основные технические решения технологии отработки угольных пластов в инертной газовой среде и установить закономерности создания и управления инертной метановой средой в изолированном пространстве выемочного участка;

— классифицировать способы использования энергетического потенциала шахтного метана и разработать новые технологии повышения энерговооруженности производственных процессов на шахтах за счет утилизации метана;

— обосновать технологическую цепь производственных процессов по промышленному использованию метана в деятельности угольных шахт;

— обосновать принципы конструирования схем вскрытия и подготовки новых горизонтов шахт с учетом управления состоянием газонасыщенного горного массива направленным влиянием развития горных работ.

Методология использования метана в производственной деятельности шахт

Анализ статистических данных по шахтам Кузнецкого и Карагандинского угольного бассейнов показывает, что на газоносных угольных пластах темпы проведения выработок ниже на 25—35%, нагрузка на очистной забой — на 35—50%, производительность труда — на 18—25%, себестоимость добычи угля выше на 9—20%. Работа шахт в этих условиях характеризуется повышенным расходом энергии на проветривание, дегазацию, другие профилактические мероприятия.

При значительных газовыделениях затраты на управление .газовыделением составляют до 20% в себестоимости добычи угля. Несмотря на применение эффективных методов вентиляции и дегазации роль газового фактора в снижении интенсивности горных работ составляет 15—35%.

Утилизация метана, содержащегося в вентиляционных потоках и системах дегазации, призвана несколько улучшить

положение. Фактическое состояние этого вопроса показывает, что при использовании до 20% объема метана из систем дегазации обеспечивается экономия до 0,3% добываемого шахтой угля. С учетом затрат на реализацию даже при максимально достигнутом объеме использования метана (22%) в целом утилизация шахтного газа для горного предприятия экономически невыгодна.

На многих шахтах отрасли (например, ш. «Стахановская» ПО «Карагандауголь», ш. Комсомолец», «Кузнецкая» АСП «Ленпнскуголь») отработка новых вскрытых горизонтов планируется и осуществляется со значительным ограничением интенсивности горных работ по газовому фактору. В этщх условиях эффективное решение проблемы управления газовыделением планируется на основе принципиально нового подбора к роли собственно метана в технологии отработки высокогазоносных угольных пластов.

Одним не основных показателей уровня производства на шахтах является их энерговооруженность, (табл. 1),.

Таблица 1

Данные по энерговооруженности шахт

Страна Энерговооруженность, тыс. кВт-ч/год, на одного рабочего по добыче Производительность рабочего по добыче, т/мес Энергозатраты, кВт -ч/т

США 52,0 512 120

ФРГ 5' ,5 ;20 75

СССР 28,0 65 52

Россия .'12,0 72 30

Как видно из таблицы, при росте энерговооруженности горных работ производительность труда растет быстрее, чем энергозатраты на 1 т добычи.

Влияние энерговооруженности производственных процессов на показатели подземной добычи угля еще более существенно при отработке выемочных участков (табл. 2).

Таблица 2

Показатели отработки лав с различной энерговооруженностью

механизированных комплексов

Параметр Лава 824 (2УКП) Лава 826 («Пиома» КК-27-45-0)

Энерговооруженность, кВт 780 1136

Производительность рабочего по 385 817

добыче, т/мес

Себестоимость добычи угля, руб/т 3,17 3.44

Среднесуточная добыча, т/сут 1194 2249

Энерговооруженность комплекса КК-27-45-0 на 30% выше, чем комплекса 2УКП. Производительность рабочего по добыче на участке лавы 826 в 2,5 раза выше, нагрузка на очистной забой выше в 2 раза, участковая себестоимость добычи угля ниже на 10%. Приведенные данные свидетельствуют о том, что энерговооруженность процесса очистной выемки оказывает решающее влияние на эффективность добычи угля. Увеличение интенсивности горных работ естественно приводит к увеличению затрат на вспомогательные процессы (вентиляция, дегазация, водоотлив). В связи с этим, например, на шахте им. 7 Ноября при значительном росте участковой производительности труда и снижении участковой себестоимости добычи общешахтная производственная себестоимость добычи возросла за последние 5 лет на 26%.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что повышение эффективности работы шахт на высокогазоносных угольных пластах может быть достигнуто на базе интенсификации горных работ за счет снижения ограничения по газовому фактору и повышения энерговооруженности производственных процессов.

Главной особенностью работы шахт на газоносных угольных пластах является значительный уровень выделения метана в горные выработки и системы дегазации.

Шахтный метан является эффективным энергоносителем, а при определенных условиях образует с воздухом пожаро-, взрывобезопасную смесь газов. Исходя из изложенного в настоящей работе развивается подход к единой роли шахтного метана как средства интенсификации горных работ и повышения энерговооруженности производственных процессов. Для обоснования этого подхода нами осуществлен на основе статистических данных анализ влияния газообильности очистных забоев на некоторые показатели .работы шахты, рис. 1.

Диапазон горно-геологических условий следующий: мощность пласта — 1,9—2,2 м; глубшна горных работ 200—750 м; природная газоносность 2—25 м3/т; пласты пологие, лавы оборудованы высокопроизводительными комплекса1ми очистного оборудования. В этих условиях при прочих благоприятных факторах метан является главным фактором, снижающим показатели работы шахт. Для принятых горно-геологических условий были выделены три диапазона значений абсолютной газообильности выемочных участков: 0—12 м3/мин; 13—24 м3/мин; свыше 24 м3/мин. Эти диапазоны установлены расчетным путем и подтверждены фактическими данными по управлению газовьгделением на шахтах.

В первом диапазоне газообильности управление газовыделением возможно осуществить средствами вентиляции. При этом с увеличением газообильности очистных забоев снижаются средние значения нагрузки на очистной забой,

%ига

J. - нощХа на ло$ц S - tpaujSsgms/itmfjé /iyit/$ü cû qimve з • ohtûbaob шли а тепло A-Sbtjfpacbt eaja

9

arm

f,2

И

f,o Д 9

/2 ./3 и

4¡ /

ßitscaä

Звкпил/тця fomumw и

ampa6<unt>ä S цещацир инсрк.....

Исрттй cpsqä

>ио. {. Влияние газоо5илыюети. на показатели горных paiïam

производительности труда по добыче, возрастают выбросы в атмосферу шахтного газа, содержащего метан, пыль и тепло. Себестоимость добычи угля растет и увеличивается на 12% от уровня негазсвой шахты.

В диапазоне газообильности 13—24 м3/мин эффективнее управление газовыделением осуществляется рациональным сочетанием методов вентиляции и дегазации. Наблюдается дальнейшее снижение значений нагрузки на очистной забой и производительности труда рабочего по шахте, возрастают выбросы метана, пыли и тепла. За счет изолированного отвода метана средствами дегазации, минуя атмосферу горных выработок, снижаются темпы роста расхода воздуха в исходящих струях шахт, а следовательно, и темпы роста выбросов пыли и тепла. Так как мютан из систем дегазации практически весь выбрасывается в атмосферу, то темпы роста его выбросов выше, чем расхода исходящих вентиляционных струй.

Соответственно на 9% возрастает себестоимость добычи угля за счет затрат на управление газовыделешгем с применением дегазации и достигает 21% от уровня негазовой шахты.

При условии утилизации метана из систем дегазации возможно некоторое снижение его выбросов в атмосферу. Использование метана вместо угля в шахтных котельных обеспечивает незначительное снижение себестоимости. Перспективным направлением здесь является промышленное использование метана в деятельности шахты для повышения энерговооруженности производственных процессов при условии существенного снижения уровня ограничения на интенсивность горных работ по газовому фактору.

При газообильности выемочного участка свыше. 24 м3/мнн рекомендуется отрабатывать его в инертной газовой среде. Для инертизацин атмосферы в действующих выработках используется шахтный метан.

Применение этого способа управления газовыделением обеспечивает снятие ограничения по газовому фактору на интенсивность горных работ; резкое сокращение выбросов "в атмосферу шахтного газа (метана, пыли и тепла). Выбросы пыли и тепла будут значительно ниже уровня негазовой шахты. Себестоимость добычи угля также будет возможно ниже уровня негазовой шахты за счет интенсивной утилизации метана, накопленного в изолированных выработках.

При управлении газовыделеннем средствами вентиляции и дегазации рост интенсивности горных работ сопровождается увеличением метановыделения, а1 следовательно, приближением содержания метана в выработках к нижнему опасному значению (1%). При работе в инертной газовой среде рост интенсивности горных работ такж>е сопровождается уве-

личеиием выделения метана," по ' при этом его содержание ■ отдаляется от верхнего опасного значения. -■-..-

'Методология' использования "• метана в производственной деятельности шахт базируется на следующем:

управление газовыделением на шахтах с извлечением метана требуемых кондиций и его использования для получения энергии, направленной на увеличение энерговооруженности производственных процессов шахт, обеспечивающее рос г эффективности горного производства;

— использование метана для создания инертной газовой: среды в пожаро-, 'взрывоопасных зонах гориьгх работ, радикально снижающих ограничения по газовому фактору на интенсивность горных работ. ■ '

Реализация предложенной методологии предполагает промышленное использование шахтного метана в производственной деятельности горного предприятия.

Экспериментальные исследования технологии управления газовыделеннем с извлечением кондиционного

метана

Создаваемая технология управления газовыделенисм и извлечения кондиционного' газа базируется на повышении газостдачи и газопроницаемости угленасыщеиного горного массива в результате направленного влияния очистных работ и последующего извлечения метана скважинами с поверхности. Следовательно, управление газовыделением и извлечение газа для промышленного использования рассматривается как единый процесс, теоретической основой которого являются закономерности газодинамического состояния разгружаемого горного массива.

При таком подходе объектом исследования является газодинамическая система разгружаемый горный массив — действующие выработки — скважина — земная поверхность.- Наличие аэродинамических связей в системе определяет специфические периоды функционирования технологии. Нами выделено два периода работы выемочного участка Т, и Т2. В период Т| при отходе лавы от монтажной камеры формируется газовый баланс участка и требуется эффективное решение задачи управления газовыделением. В период Т2 газовый баланс сформирован и решаются задачи оптимизации управления газовыделением с учетом извлечения кондиционного метана.

Извлечение кондиционного газа предполагает создание крупных подземных коллекторов метана, накопление' в ¡¡их газа требуемых кондиций и последующее извлечение скза-жинами. Большие объемы метана в разгружаемом горном массиве оказывают влияние на газовую обстановку в дейст-

вующих выработках. Нами был выполнен комплекс экспериментальных исследований на шахтах Кузнецкого и Карагандинского угольных бассейнов, по результатам которых выявлен комплекс факторов., определяющих газодинамическое состояние разгружаемого горного массива1 и показатели извлечения метана. Исследования выполнены на полях 32 шахт при отработке 42 выемочных участков. Обработаны данные по 430 скважинам. В период активного взаимодействия скважин- и атмосферы действующих выработок устанавливались параметры управления газовыделением выемочных участков, при достаточном удалении скважины от действующих выра-' боток исследовались параметры подземного коллектора метана и показатели его'извлечения. В связи с существенным различием характеристик газодинамического состояния разгружаемого горного массива Кузнецкого и Карагандинского угольных бассейнов методики исследования на шахтах этих бассейнов различны.

Исходным этапом исследования явилось установление области возможного применения технологии.управления газовыделением и извлечения метана из подземных коллекторов скважинами с . поверхности*. На основе статистических дан-, ных по 56 шахтам установлена рациональная глубина применения способа в Кузнецкого бассейне 250—400 м, в Карагандинском — 350—550 м для пологих угольных пластов мощностью свыше 1,5 м. Суть экспериментов, выполненных на шахтах Кузнецкого бассейна, заключается в следующем. Для широкого класса горно-геологических (глубина горных работ 180—380 м, вынимаемая мощность пласта 1,4—3,5 м, свиты из 4—9 сближенных пологих пластов рабочей мощности) и горнотехнических (длина лавы 120—200 м, длина столба— 1,2—3 км, порядок отработки пласта в свите и столбов в панели — смешанный) условий устанавливались зависимости показателей газевыделения в скважины и горные выработки от параметров системы скважин, пробуренных с поверхности. Параметры системы скважин включали координаты их заложения, диаметр скважин, размер фильтрующей части.'и ее расположение относительно разрабатываемого пласта, режим эксплуатации.

Установлено,, что эффективное управление газовыделением в начальный период работы очистного забоя осуществляется системой скважин, параметры которой можно определить из зависимостей:

<7cHl = — П,?3 - 0,П''7/- + 0,8 In (0,1 Z. -f 1) (1)

при Z.<-0,5/оч-

В. дальнейшем

^сн, = 0,76 — 0,С07/.Я + 40//., (2)

где <7сн, —газообильность очистного забоя, м3/мин;

Ьп — расстояние между лавой и скважиной, м; /гч — длина очистного забоя, м. Анализ результатов исследований формирования газовыделения на участке с учетом изменения горно-геологических и горнотехнических условий показывает, что порядок отработки, пластов в свите оказывает решающее влияние на газовую обстановку участка. Регулирование количества извлекаемого из разгруженного массива метана может осуществляться изменением размера и местоположения рабочей зоны скважины. Технически задача решается изменением глубины обсадки скважины. Исследование этого параметра было выполнено в ходе шахтного эксперимента по пласту «Польгса-евский-2». Глубина обсадки скважин изменялась от 30 до 320 м, т. е. скважины были обсажены на 15—95% их длины.

В ходе эксперимента выполнен комплекс наблюдений на скважинах и в очистном забое. В результате обработки данных наблюдений установлены следующие зависимости: концентрация метана в исходящей струе лавы (Соч)

Соч = 1,2 - 1\8 (/. 6.//.гкЛ 1 5 (¿обс/^скз)'. (3)

дебит метановоздушной смеси

Тс, = 49,7 — 15,7 (¿0бс/£скв) (4)

Концентрация метана в извлекаемой смеси

Сен, скв = -79 180 (¿^/¿скз) - 140(1об:/£скв)2, (5)

где I б: и ¿скв— соответственно глубина обсадки и глубина скважины, м. Анализ результатов показывает, что средний дебит метановоздушной смеси существенно не зависит от глубины обсадки скважины и несколько снижается с ее увеличением. Взаимовлияние скважин увеличивается с увеличением глубины обсадки. Концентрация метана в извлекаемой смеси имеет ярко выраженный максимум при глубине обсадки, близкой к половине длины скважины н снижается на 20— 25% п,ри увеличении длины обсадки до кровли разрабатываемого пласта. Характер изменения концентрации метана в смеси с поджиганием лавы одинаков для скважин с глубиной обсадки больше половины длины скважины. Наиболее сильное влияние скважин на газовую обстановку в лаве проявляется при глубине обсадки, равной 0,4—0,7 длины скважины. Обсадка скважины на всю длину приводит к резкому снижению газообильности лары при расстояниях между ла-

бой и скважиной до 50 м, далее это влияние быстро снижается.

Комплекс шахтных экспериментов для установления параметров схемы управления газовыделением системой скважин, пробуренных с поверхности, был выполнен по пласту «Польгсаев'ский-2». Глубина обсадки скважин составляла 110—120 м до частично отработанного пласта «Красноор-ловский». Остальные пласты свиты общей мощностью 10 м неотработаны.

Исследования проводились в период сформировавшегося газового баланса участка. Количество одновременно работающих скважин — 3—4.

Обработка результатов экспериментов позволила установить зависимость степени влияния скважины на газообильность лавы от расстояния между скважиной и лавой:

АГэ = 0,11 — 2• lO~4Ln -f- 3,92/Ln. (6)

Для проверки полученных результатов выполнялись эксперименты с одновременным отключением скважин. Газо-обилыгость лав при этом через 3—3,5 ч возросла в 2 раза. Так, на поле шахты «Октябрьская» (участок скважин 17041, 17023, 17030) газообильность за 3 ч возросла с 3 до 6 м3/мин, коэффициент эффективности дегазации составил 0,5, расчетное и фактическое значение полностью совпадают. Полученная зависимость позволила определить фактические значения эффективности дегазации на всех экспериментальных участках.

Проведенными экспериментами установлено, что скважина оказывает существенное влияние на газовую обстановку в лаве на расстоянии до 200 м от линии очистного забоя. В дальнейшем ее влияние на газообильность лавы резко снижается с увеличением расстояния. Расход метана в скважины возрастает при удалении в глубь массива и достигает максимума на расстоянии 150—180 м. Рациональное расстояние между скважинами выбирается по критерию достижения заданного коэффициента эффективности дегазации с учетом затрат на реализацию схемы.

Исследовался характер изменения разрежения на устье скважины и расхода метана с подвиганием очистного забоя.

Резкое возрастание разрежения в скважинах при расстояниях между лавой и скважиной около 300 м говорит о снижении газопроницаемости между лавой и скважиной, влияние скважины на газовую обстановку в лаве практически прекращается.

Для уточнения значения максимального расстояния между лавой и скважиной, при котором скважина1 оказывает влияние на газообильность лавы, был выполнен следующий

2

17

эксперимент в условиях отработанной лавы. На трех соседних скважинах работали ПВНС, остальные 8 были заглушены. Затем скважины открывались и определялись расход газа и концентрация в нем метана. Две скважины, ближайшие к скважинам, подключенным к ПВНС, принимал« воздух. На 3-й, расположенной на расстоянии 330 м, движение газа отсутствовало, а следующие выдавали газ в режиме самоистечения с концентрацией в нем метана выше 80%. Это полностью подтверждает установленный размер зоны влияния скважины для данных горно-геологических условий.

Для интенсификации съема метана кроме скважин, пробуренных на отрабатываемую лаву, в ряде случаев использовались рядом расположенные вертикальные скважины соседнего отработанного столба, которые включаются в работу практически одновременно с началом отработыглавы. Такой вариант был испытан, в частности, на лавах 875, 876 шахты «Октябрьская». Через 20 м подвигания лавы в работе были все три скважины1. Для увеличения диапазона влияния, скважин одна из скважин была отнесена от вентиляционной выработки на 80 м. При использовании вариантов с 3 скважинами, лавы работали практически в нормальном газовом режиме. Решение данного вопроса усложняется при во.сходя-щем порядке отработки столбов или расположения .лавы в целиках. ' ■ -

Технология подземного аккумулирования метана и извлечения кондиционного газа базируется на следующих положениях:

существенное повышение газопроницаемости и газоотдачи значительного объема газонасыщенного горного массива; хорошее разделение в пространстве этого объема, заполненного метаном, и проветриваемых выработок; применение параметров и режима извлечения метана, обеспечивающих равномерное извлечение газа из подземного коллектора без образования локальных аэродинамических связей с проветриваемыми выработками и земной поверхностью.

Повышение газоотдачи и газопроницаемости горного массива достигается применением схем подготовки и систем разработки запасов, обеспечивающих разгрузку от горного: давления неотработанных угольных пластов, пропластков н газоносных вмещающих пород.

Хорошее разделение созданного подземного коллектора метана и атмосферы проветриваемых выработок может быть осуществлено путем оставления изолирующих целиков как. по пласту, так и в вертикальном разрезе, а. также, с учетом изменения газодинамического состояния системы подземный коллектор метана — проветриваемые, выработки — земная п'о: еерхность.

Равномерное извлечение метана из подземного аккумулятора без снижения качества газа за счет ,подсосов воздуха достигается выбором параметров заложения скважин и! режимом их воздействия на коллектор метана. Значение этих факторов определяется в конечном итоге газодинамическим состоянием разгруженного торного массива, содержащего шахтный метан.

При отработке лавы 301 по пласту «Бреевскому» (шахта «Комсомолец») на глубине 265 м подработаны пласты «Дя-гилевский», находящийся на расстоянии 80 м, и «Меренков-ский»—150 м, а также угольные пропластки общей мощностью 3,1 м. Суммарная мощность угольных пластов, разгруженных от горного давления при работе лавы 301, состави-ла.-5,6 м. Через два года: после отработай лавы 301 в ее выработанное пространство была пробурена скважина для извлечения метана конечным рабочим диаметром 132 мм, обсаженная трубами до пласта «Бреевский», Динамика извлечения шахтного метана через эту скважину вакуум-насосом представлена на рис. 2. ;

На шахте «Октябрьская» проведены наблюдения за динамикой газовыделения в скважинах на участках лав 774-, 875—876, 884, 886 как во время их отработки, так и после. Метан извлекался через вертикальные скважины передвижными дегазационными установками. При ведении очистных работ по пласту «Полысаевский-2» подрабатывались вышележащие пласты «Инский-2», «Инский-3», «Тонкий», «Несложный», частично «Красноорловский» и пропластки. Для увеличения расхода газа в скважине на шахте «Октябрьская» была уменьшена глубина их обсадки, что обеспечило увеличение размера фильтрующей части скважины.

Установлено, что фактические размеры зон разгрузки существенно превышают расчетные. Это подтверждается анализом баланса газовыделения в скважины и горные выработки и ресурсами метана на экспериментальных участках. -Так, например, на участке лавы 886 уже к настоящему времени вентиляцией и дегазацией извлечено 22,0 млн. м3 метана. Если считать высоту зоны разгрузки, равную даже 40 вынимаемым мощностям пласта «Полысаевский-2», то ресурсы метана в такой разгруженной области на этом участке составляют 16,0 млн. м3. Учитывая то, что лава 886 отрабатывалась в целиках, можно сделать вывод, что зона разгруз- -ки составила не менее 160 м, т. е. разгружены все вышележащие пласты с ресурсами метана в 35 млн. ,м3.

При нисходящем порядке 'отработки пластов в свите практически невозможно извлекать кондиционный метан. На шахтах «Комсомолец» и" «Октябрьская» в результате проведенной реконструкции в разгруженном горном массиве оставались неотработанные угольные пласты общей -мощностью

2*

19

6—11 м. В зависимости от расстояния до выше отработанного пласта глубина обсадки скважины (а следовательно, и фильтрующая ее часть) изменяется в широких пределах.

В результате обработки заме.ров газа в скважинах на экспериментальных участках были получены зависимости расхода газа см и содержания в ней метана Сен, от соотношения размеров обсаженной части скважины ¿„6с и общей длины скважины Ьскв :

Сен, == — 274 (¿цбс/¿ск0)2 + 313(^6с//.скв) - 30. (8)

Анализ зависимостей (7) —(8) показывает, что расход газа в скважине при увеличении глубины обсадки незначительно снижается. Значение концентрации метана в смеси имеет явный максимум в области, когда конец обсадных труб в скважине максимально удален от выше отработанного пласта и выработанного пространства разрабатываемого пласта. Это условие соответствует минимальным подсосам воздуха с выше отработанных пластов и действующих горных выработок.

Для определения размеров разгруженной области по простиранию и падению пластов были проведены эксперименты по изучению влияния системы дегазационных скважин друг на друга и на газообильность лавы при их различном расположении на выемочном участке. Получены зависимости концентрации метана в скважине и расхода в ней газа от отношения расстояния между скважинами и вентиляционной выработкой — ¿в, длиной лавы — /оч и от расстояния между скважиной и лавой — Ьп:

В полученных зависимостях значения расхода га'за и концентрации в нем метана являются средними за весь период эксплуатации скважин (3—9 лет). Под периодом эксплуатации скважин будем понимать отрезок времени с момента начала извлечения кондиционного шахтного метана до момента, когда расход газа в скважине упадет ниже 3 м3/мин или газ станет некондиционным. С помощью этих зависимостей мы можем определить размер, а следовательно, и эффективный объем разгруженной области горного массива — коллектора1 газа метана.

<7см = — 12£.06с(£сК1. + 43,6.

(7)

?см 34,7 (¿.//оч) + 54,9; Сен. = - 348 (¿в/и2 + 326 (¿в//оч) - 19,5; дси = _ 0,000971/ + 0,36£л + 14,4; Сен. = — 0,00047/. „2 + 0,31 в + 7,0.

(9)

(10) (И) (12)

»*:■» isSÍ »sai fí$¿ Ш life 193? ш i»> m Рис.2.Зинимшж юЬпвчения кондиционного ттана

Показатели извлечения метана изменяются во времени. Путем обработки результатов наблюдения по скважине 17035 лавы 886 и 18170 лавы 301 получены зависимости:

где I —время, лет.

В течение первых трех лет эксплуатации расход газа из скважин уменьшается в 2 раза, концентрация метана уменьшается незначительно. Проведенные в течение 7 лет наблюдения показали, что за этот период скважиной на шахте «Комсомолец» (лава 301) извлечено 33 млн. м3 газовой смеси с концентрацией метана не менее 40%. Общие ресурсы метана, после отработки 9 лав по пласту «Бреевскому», оцениваются в 42 млн. м3, т. е. газ на участке близок к истощению.

Дальнейший анализ динамики газовыделения показал, что концентрация метана в скважинах нарастает после прохода лавы, затем на расстоянии 200—450 м несколько снижается, затем до 1 года нарастает и потом постепенно снижается в результате истощения запасов метана.

В Карагандинском бассейне экспериментальные исследования выполнялись на 12 выемочных участка« шахт Промышленного, Саранского, Чурубай-Нуринского и Тентекского районов.

Исследовались изменения дебита метановоздушной смеси, концентрации в ней метана и разрежения на устье скважины в зависимости от времени работы скважины и связанного с ним иодвигапия очистного забоя. Для различных горногеологических условий эти зависимости существенно различны, но во всех случаях прослеживаются колебания разрежения на устье скважины и: концентрации в извлекаемой смеси метана. Установлено отсутствие зависимости между разрежением на устье скважины и дебитом метановоздушной смеси, а также колебания разрежения при неизменном режиме работы дегазационной системы. Это свидетельствует о том, что внутренняя энергия подработанного газонасыщенного массива значительно превышает энергию воздействия скважины. Количество извлекаемого метана практически полностью определяется давлением газа в разгруженном массиве и его концентрацией.

Проведенными наблюдениями на экспериментальных участках установлено, что газовьвделение в скважины имеет некоторый периодический характер, причем эта периодичность не связана с шагом обрушения основной кровли. Периодический характер процесса имеет различные параметры при различных глубинах разработки, соотношениях вынимаемой и

<?см = 42,8—6,1/, Сен =61,2—2,4/,

(13)

(14)

полной мощности разрабатываемых пластов. Существенно различаются результаты, полученные на шахтах различных районов бассейна.

Было высказано предположение, что сдвижение горных пород распространяется снизу вверх в виде некоторой волны. Скорость смещения пород на различных глубинах зависит от их физико-механических свойств и вынимаемой медц-ностн.разрабатываемого пласта.

В процессе сдвижения горных пород происходит изменение- газонасыщенного состояния разгруженного массива.

С целью установления параметров периодического про,-десса результаты наблюдений на скважинах были.обработаны методами-спектрального анализа.

В общем случае изменение ■ газовыдёления в скважину представлено в виде двух составляющих.

. Изменение газовыделения в результате развития разгрузки массива в плоскости разрабатываемого пласта в направлении подвигания очистного забоя описывается зависимостью

'»■. (15)

Развитие процесса в вертикальной плоскости в направлении от разрабатываемого пласта к поверхности приводит к изменению газовыделения согласно зависимости

С — С'соэ2 — ¿, (16)

Ьп .

где Л, В, С' — коэффициенты; . .

Ьп—период изменения концентрации метана, м;

Ь0—момент полной разгрузки массива.

В результате решения уравнений (15) и (16) установлены для конкретных условий значения эффективной скорости развития сдвижения массива в вертикальном направлении. Это значение является основой для определения размера, фильтрующей части скважины и . ее местоположения, относительно разрабатываемого пласта. . '

Комплекс экспериментальных-. исследований технологии управления газовыделением с извлечением кондиционного метана в широком диапазоне горно-геологических условий позволил-установить, следующее:, ■ . ;

возможна единая технология управления газовыделением и извлечения кондиционного ■ метана на основе .повышения газоотдачи и газопроницаемости- горного массива в результате направленного влияния очистных работ и - извлечения метана 'еисте-яой'екважин с-поверхности; - - - ■ . .

существуют в- разгруженном горном массиве нестационарные подземные коллекторы метана с объемами, составляющими основную часть ресурсов газа на отрабатываемом горизонте;

метан из подземного коллектора может быть извлечен скважинами с поверхности с требуемыми кондициями.

Закономерности управления газовыделением с созданием подземных коллекторов метана и его извлечением для промышленного использования

Для установления общих закономерностей управления газовыделением с созданием подземных коллекторов метана и его извлечения для утилизации. нами осуществлены аналитические исследования газодинамических процессов в пределах выемочного участка на основе фундаментальных законов газовой динамики.

В результате анализа формы закона сопротивления движению газа в дальнейшем рассматривается ламинарное движение газа в разгруженном горном массиве, подчиняющегося закону Дарси. 1 ■■■■".

';Для описания фильтрации газа в- трещиновато-пористой среде использовано уравнение неразрывности в виде:

. + (Ну ^ = ^ (х, у, г, о, (17)

где р — плотность га'за, кг/м3;

т — пористость, доли ед.; ' • / — время, с;

/•' (.V, у,-г, /)—функция, характеризующая источники и стоки газа внутри области, кг/м3-с.'

Одной из наиболее сложных, проблем при.моделировании движения, газа в подработанном горном массиве является определение, проницаемости. -

- Исследования показьивают, что характер изменения проницаемости аналогичен характеру разгрузки подработанного массива. Таким образом, область повышенной проницаемости движется-вместе с лавой и имеет несколько зон с различными значениями проницаемости', соотношения между которыми изучены для разных условий. Все это дает возможность для каждого конкретного случая задать приближенно ноле проницаемости к(х. у. г, /). Уточнение значений проник даемости осуществляется на' этапе адаптации математической модели-притока таза к'скважине. - ..... :'.■_... .•.. ■•••....;

Для определения газовыделбния из сближенного пласта использована зависимость:

(18)

где хт—точка максимального газовьгделения из сближенного пласта.

Общая задача математического моделирования газодинамического состояния выемочного участка заменяется несколькими плоскими задачами.

В результате решения задачи получим абсолютную мета-нообнльность лавы

(¡игтА^-ГПп, ['^(0, У)с1у, м3/с, (19)

о

и скважины по газовой смеси

(]еи = I м'/с, (20)

■^ска

где V — скорость газа у контура скважины, м/с; •$скв — площадь рабочей зоны скважиньи, м2.

Прежде, чем моделировать движение газа, необходимо уточнить значения основной характеристики среды — проницаемости. Для этого для одной действующей скважины измеряется расход и концентрация метана в извлекаемой оме-си. Затем эти же характеристики получают с помощью математической модели. Сравнивая их между собой и корректируя значения проницаемости, добиваются их совпадения с заданной точностью (обычно 10%). Таким образом, можно уточнить значения проницаемости выработанного пространства, а зная соотношения проницаемостей различных зон сдвижения горного массива, можно скорректировать значения проницаемости во всем исследуемом объеме.

Для решения поставленных задач использован метод конечных разностей. Этот метод позволяет отказаться от упрощений математической модели, он применим для задач с произвольными краевыми условиями и параметрами, завися-.щими от пространственных и временных координат, а1 также от искомой функции.

На основе разработанной адаптивной математической модели движения метана в разгружаемом горном массиве нами установлены основные закономерности газодинамического состояния разгружаемого газонасыщенного массива при извлечении метана скважинами, включающие формирование подземного коллектора метана, динамику основных его параметров, движения газа к скважинам и в горные выработ-

ки. Апробация модели на шахтах Кузнецкого и Карагандинского бассейнов подтвердила ее достоверность. Пример реализации модели показан на рис. 3.

Принципы и технология отработки особо газообильных участков шахтных полей в инертной газовой среде

На глубинах свыше 400—600 м при отработке свит пологих газоносных угольных пластов эффективное управление гаэовыделемием осуществляется применением технологии ведения горных работ в инертной газовой среде. Идея технологии высказывалась ведущими учеными угольной отрасли на протяжении нескольких последних десятилетий, но получила реальное развитие в рамках настоящей работы как одно из приоритетных направлений технологии подземной добычи угля.

Технология базируется на следующих принципах: выполнение всех технологических процессов по добыче угля, связанных с выделением газа, пыли и тепла, и сопряженных с опасностями для горнорабочих в изолированном от общешахтной атмосферы пространстве, заполненном пожаро-, юрывобезопасной смесью газов; аккумулирование сопутствующих добыче угл яэнергоносителей, газа, пыли, тепла в действующих изолированных выработках и их планомерная утилизация.

Нами разработана структура основных производственных процессов технологии, сущность которой заключается в следующем, рис. 4.

После вскрытия эксплуатационного блока погоризонтны-ми квершлагами осуществляется проведение подготовительных и нарезных выработок, сооружение камер, возведение перемычек и бурение скважин. Все эти работы выполняются в проветриваемой газовой среде. После защершення горной части работ в эксплуатационный блок доставляется, монтируется и осуществляется наладка и опробование горного оборудования и систем управления технологическими процессами. Далее осуществляется герметизация эксплуатационного блока путем установки изолирующих перемычек и шлюзов.

Создание инертной газовой среды производится путем заполнения выработок эксплуатационного блока метаном (или азотом). При наличии отработанных блоков, являющихся резервуарами метана, газ перекачивается из них в действующий блок. При их отсутствии выработки действующего блока заполняются азотом. По мере развития горных работ и возрастания выделения метана азот замещается метаном. Для создания нормального температурного режима н равномерной концентрации газов в изолированной среде создает-

ся принудительный, замкнутый поток.. Контроль параметров инертной газовой среды осуществляется- авто мат и.ч.е.скрй. ..си-, етемой с выводом информации на пульт диспетчера..шахты и. участковый пульт.

Эксплуатационные работы.в.блоке начинаются после создания и устойчивого. ..поддержания параметров инертной среды в выработках и отсутствия поступления метана и пыли в проветриваемые ,выработки. О.чистные и проходческие работы выполняются агрегатами без постоянного...присутствия людей в: забоях. Транспортирование угля осуществляет-; ся ленточными конвейерами с устройством участковых п лп-горизонтных бункеров. Все операции по перегрузке, угля про-! водятся в изолированной от проветриваемых выработок, ере-.' де. Доставка людей и материалов- проводится до эксплуатационного блока, по проветриваемым выработкам, далее по выработкам, заполненным инертным газом. Шлюзы для про-, пуска людей и материалов работают дискретно, для пропуска угля — непрерывно. - .

Профилактические работы выполняются работниками, снабженными средствами индивидуального жизнеобеспечения в инертной газовой среде. Плановые ремонты и., ликвидация крупных аварий выполняются после полного разгазирования. блока. - - -„ ...

•'••' Управление инертой тазовой средой осуществляется путем подачи газа из внешних источников, отбора избыточного. газа для утилизации, изменения интенсивности горных работ. ■:■■■.■■•-.

Попутная добыча метана осуществляется -.в результате отбора избыточного таза из блока. Система горных выработок разгруженный горный массив, старые выработанные пространства является подземным коллекторов метана. В этом коллекторе шахтный метан, аккумулируется с, требуемыми качественными характеристиками. Для утилизации этого газа могут быть использованы любые потребители,природного газа. В предлагаемой структуре под эксплуатационным блском нужно понимать выемочный участок, крыло ■шахтного поля, горизонт, всю. шахту. Увеличение размеров эксплуатационного блока от участка до шахтыбудеу .осущрд. сгвляться ло мере накопления опыта работы в изолировал-' ных горных выработках. Ключевым элементом безопасного функционирования технологии является создание и надежное поддержание инертной газовой среды в потенциально опасных рабочих зонах.

На основе математического моделирования и шахтных экспериментов установлены основные -закономерности газо-., динамического состояния изолированного пространства действующих выработок при создании и управлении инертной газовой средой. Процесс загазирования участка описан не-

Put5. Яласифииаири способ использования энергетического потенциала метина

V) »>■* "> M

тошап мт'пндшоц огошшшгс/дне апнщомиоиоп gogosouo ьпЫнпфпиОШ^ 'g'ún¿

оготйдтшоцЫшо vmjohfi omxj 'on¿

flOVCMíltH n _,

'ешЛ TJ*JAUO4U вц T«vm - r —

VrtbíJ ИОМЛДОыОД

dßddo поникни g

MhrtHidau «lînotXdnuoii. - /¡^з—

стационарным уравнением диффузии метана вдоль выработок, разгазирования — нестационарным уравнением турбулентной диффузии с учетом конвективного переноса при на-, лнчии вентиляционной струи. Результатами математического моделирования н экспериментов на шахтах -«Карагандинская» и «Абайская». доказана возможность создания при абсолютной газообильности свыше 20 м3/мин инертной газовой среды в зонах горных работ за! счет естественного выделения метана. Нами разработаны основные технические решения' ло производственным процессам для опытно-промышленного участка шахты «Комсомолец» АСП «Ленинскуголь», включа-. ющие: . г

систему управления автоматизированным участком, отрабатываемым комплексом очистного оборудования в инертной газовой среде без постоянного присутствия люден в рабочих зонах;

комплекс мобильных герметичных бокс-баз для автономного коллективного жизнеобеспечения трудящихся ш размещения аппаратуры и пульта управления технологией;

комплекс шлюзовых устройств для герметизации эксплуатационного блока, пропуска горной массы, людей, оборудования п материалов.

Полученные решения вошли в технологическую часть проекта 'опытцо'-промышленного участка.

Методология н технология промышленного использования шахтного метода

Принципиальные отличия шахтного метана от природного газа заключаются в следующем: низкое давление газа, низкое и нестабильное содержание метана, малые мощности единичных источников, пространственная рассредотэченносгь: источников и их нестабильность в пространстве, взрывоопас-ность метансвоздушных смесей и расширение Пределов взрывоопасное™ при сжатии газа.

В основе технологий использования энергетического потенциала метана лежит его сжигание совместно с кислородом (воздухом). По этому фактору шахтный метан (метано-воздушиые смеси) не имеет отличит от природного газа. Применяя соответствующие устройства-смесители, можно обеспечить требуемое качество метановоздушной смеси при нестабильном содержании метана в извлекаемом из шахт газе.

Существенные сложности возникают при транспортировании и хранении низкопапорных метансвоздушных смесей. В этих процессах необходимо учитывать экономический фактор (низкая энергоемкость газа) и фактор безопасности (взры-воопасность газа).

В связи с изложенным способы использования энергетического потенциала шахтного метана можно квалифицировать следующим образом, рис. 5.

При таком подходе способы утилизации шахтного метана можно разделить на следующие группы: утилизация низконапорного газа в месте извлечения (передвижные моторге-нераторные электростанции); сбор низконапорного газа из нескольких источников, транспортирование к установке по утилизации по газопроводу низкого давления (моторгенера-торные и газотурбинные электростанции, шахтные котельные, бытовые нужды); сжижение газа и транспортирование в емкостях потребителю (существующие установки в газовой промышленности); сжатие газа до давления 200—250 атм и транспортирование в емкостях потребителю (заправка автомобилей) .

Целесообразность утилизации метана в каждой группе способов может быть оценена соотношением энергетических затрат на подготовку газа (Эзат ) и полученной энергии в результате утилизации (3П0Л):

9 _ 9

^ ___*-^пол *^заг (21)

пол

Чем больше Кэ> тем эффективнее по энергетическому критерию способ использования шахтного метана. Коэффициент Кэ зависит от качества извлекаемого шахтного метана и его значения приведены на рис. 6. Коэффициент эффективности утилизации газа существенно зависит от концентрации метана в том случае, когда шахтный метан необходимо транспортировать.

Установлено, что наиболее эффективным при прочих равных условиях является способ утилизации шахтного метана в мобильных моторгенераторных электростанциях, устанавливаемых непосредственно на скважине. При этом в качестве энергоносителя выступает электрическая энергия, затраты на транспортирование которой значительно ниже, чем на транспортирование газа. -

При концентрации метана в шахтном газе более 60% его целесообразно использовать в качестве моторного топлива.

Сжижение шахтного метана при "существующей мощности его источников на шахтах экономически нецелесообразно при любых концентрациях метана.

Для выбора способа утилизации метана при альтернативных вариантах нами предлагается следующий критерий:

•Э — ^-тр э Суг Си, (22)

где Э — экономический эффект технологии на шахте (участке), руб.; <3.Ч1—ресурсы метана на шахте (участке), м3;

Ки—коэффициент извлечения кондиционного метана, руб/м3; Кэ — показатель эффективности использования; С„—затраты на извлечение метана, руб.; Стрэ — затраты на транспорт энергоносителя, руб.; Суг — затраты на утилизацию метана, руб.

В качестве энергоносителя может быть газ метан, если места извлечения метана и утилизации разделены в про-■странстве, или электрический ток, если метан утилизируется в месте его извлечения.

Процедура для реализации критерия эффективности применения технологии извлечения шахтного метана заключается в следующем:

устанавливаются ресурсы-метана на шахте (участке), распределение их по площади и глубине;

устанавливаются возможности расположения на поверхности шахты сооружений и оборудования для извлечения и утилизации метана;

анализируется программа' развития горных работ на участке и их влияние на газодинамическое состояние газонасыщенного горного массива;

разрабатывается структура технологии извлечения метана1; -

определяется экономический эффект от интенсификации горных работ и роста энерговооруженности, производственных процессов при реализации технологии управления газовыделением с извлечением -метана и его промышленным использованием.

Для реализации предложенной методологии промышленного использования шахтного метана, обеспечивающей повышение эффективности работы шахт, нами разработаны и освоены производством новые технологии газоснабжения относительно мощных потребителей метана, получения тепловой и электрической энергии без предварительной подготовки шахтного метана, заправки технологического автотранспорта шахт моторным топливом.

Повышение эффективности транспортирования низконапорного шахтного метана от рассредоточенных в пространстве источников достигается при поддержании в газосборном коллекторе избыточного давления. При этом передвижная вакуум-насосная ■станция устанавливается непосредственно на скважине, газ из ее выхлопа поступает в газопровод и далее к потребителю. Возможность работы вакуум-насоса в режиме компрессора с избыточным давлением 0,03 МПа доказана нами шахтными экспериментами. При этом достигаются более высокие разрежения на скважинах, а следовательно', и более эффективное извлечение газа. Скважины не влияют друг на друга, т. е. резкое увеличение расхода газа на одной из скважин не приводит к снижению расхода на

остальных, что происходит при работе одной мощной-вакуум-насосной станции на группу скважин. При транспортировании шахтного метана в газопроводе с избыточным давлением исключаются подсосы воздуха, а следовательно, и снижение качества газа. Эффективность транспортирования газа с избыточным давлением выше. При разработке такой схемы газоснабжения основным является обеспечение требуемого давления и расхода газа на входе к потребителю. Возможно также регулирование концентрации метана путем исключения или включения различных скважин. При такой схеме газоснабжения возможна утилизация газа с низкой концентрацией метана из действующих лав, так как есть возможность повысить качество шахтного метана за счет подачи газа из подземных коллекторов с высоким, заранее известным качеством. Предложенный принцип использован при разработке схемы газоснабжения котельной шахты «Октябрьская».

Проблемы, возникающие при сжатии шахтного метана и его транспортировании, являются главным фактором, сдерживающим широкое развитие работ по утилизации газа. Совместно с институтом ВНИИгаз нами была предложена и освоена технология утилизации-безнапорного газа непосредственно на скважинах с получением электрической и тепловой энергии.

Для утилизации шахтного метана использованы передвижные автоматизированные электростанции, для которых по техническому заданию МГИ опытным заводом ГГК «Со-юзгазтехнология» разработана топливная аппаратура, обеспечивающая использование в качестве топлива шахтного газа с содержанием метана свыше 25%. Топливная аппаратура позволяет регулировать подачу газа в цилиндры двигателя при изменении качества шахтного метана.

Результаты опытно-промышленных испытаний технологии на шахтах «Комсомолец» и «Стахановская» и выводы межведомственной комиссии позволили сделать заключение о целесообразности использования мобильных мотор-генераторных электростанций, использующих в качестве топлива шахтный метан для получения тепловой и электрической энергии, направляемой для удовлетворения нужд шахты. Принципиальной особенностью разработанной технологии является возможность утилизации шахтного газа< с содержанием метана от 10% и выше. Условие, при котором в топливопода-ющем газопроводе перед вводом в газоподготовительное устройство давление газа ниже атмосферного, существенно упрощает систему обеспечения безопасности эксплуатации технологии.

Отличительные особенности шахтного мётана, а также специфика горного производства определили дальнейшую программу развития работ, включающую следующие основ-

ные этапы: подготовка шахтного газа'как топлива для мотор-генераторных электростанций; создание ряда установок с мощностями, соответствующими расходам метана шахтных источников (16, 50, 100, 200 кВт); использование мотор-генераторной установки в качестве вакуум-насоса для дегазации; автономное электроснабжение передвижных дегазационных станций; согласование работы шахтной энергосети с рассредоточенными в пространстве мобильными электростанциями, работающими на шахтном метане.

Автомобильный транспорт играет все возрастающую роль в работе современных торных предприятий. Проблема перевода транспорта с жидкого топлива на газообразное вообще и в частности на шахтный метан уже многие годы ставится производственниками, но получила решение лишь в газовой промышленности.

Проведенный нами анализ свидетельствует об отсутствии принципиальных ограничений использования шахтного газа с высоким содержанием метана в качестве моторного топлива. В мотор-генераторных электростанциях шахтный метан используется в качестве топлива двигателя внутреннего сгорания с содержанием метана свыше 15%. Вопросы газоподготовки шахтного метана для его применения в качестве моторного топлива технически решаемы существующими технологиями и техническими средствами. Главным является вопрос экономической целесообразности способа в конкретных условиях угольной шахты. Попытки реализации идеи в Карагандинском угольном бассейне путем формального использования стандартной технологии и серийной АГНКС-125 к успеху не привели. Это объясняется прежде всего отсутствием взаимоувязки параметров шахтных источников метана и 'возможности серийного оборудования газовой промышленности.

На основе разработанной классификации способов использования энергетического потенциала шахтного метана и методики выбора способов в конкретных условиях нами разработана и прошла промышленные испытания технология затравки технологического транспорта шахт сжатым шахтным метаном (шахта им. А. Ф. Засядько ПО «Донецкуголь»).

Шахтный метан извлекается из скважины передвижной дегазационной установкой. Основное количество влаги отделяется от газа в специально созданном водоотделителе. Далее газовая магистраль разветвляется для осуществления газоснабжения собственно заправщика и газовой электростанции, обеспечивающей комплекс электроэнергией.

Комплекс технологического оборудования включает один компрессорный блок, блок управления и два передвижных автомобильных газовых заправщика.

При наличии хороших подъездных путей и удобном расположении источников газа заправка автомобилей может осуществляться непосредственно возле скважины. Параллельно осуществляется заправка ПАГЗ-1, объемом 3000 нм3, который доставляет газ на автобазу, где в дальнейшем производится заправка машин.

Показатели эксплуатации технологии заправки автомобилей сжатым шахтным метаном приведены в табл. 3.

Таблица 3

Показатели эксплуатации технологии заправки автомобилей сжатым шахтным газом метаном (шахта им. А. Ф. Засядько)

Показатели Значения

Расход метана, м3/мин 3,0

Концентрация метана, % Свыше 80

Потребляемая электрическая мощность, кВт 75

Производство электроэнергии за счет утилизации ме- 100

тана, кВт-ч

Количество обслуживаемых автомобилей, шт. 10—12

Пробег автомобиля, км/сут 250

Экономия бензина, л/год 300000

Эксплуатационные расходы, тыс. руб/год 300,0

Экономический эффект, тыс. руб/год 5200,0

Оборудование для предлагаемой технологии разработано опытным заводом института ВНИИгаз. К настоящему времени проведены опытно-промышленные испытания технологии на шахте им. А. Ф. Засядько ПО «Донецкуголь».

В результате испытаний доказана работоспособность технологии и определены пути ее совершенствования.

Реализация технологических решений и их эффективность

Технологические решения по промышленному использованию шахтного метана составляют технологическую цепь производственных процессов, обеспечивающих интенсификацию горных работ 'И рост их энерговооруженности, что в конечном итоге существенно улучшает показатели работы горного предприятия, рис. 7.

Технологическая цепь производственных процессов по повышению эффективности, работы шахт реализована в виде нормативных документов, проектной документации, использована на шахтах Кузнецкого, Донецкого и Карагандинского бассейнов.

pito. 7. Технологическая цепь процессов промышленного использования шахтного метана

Разработанные совместно с учеными ИГД им. А. А. Ско-чинского, ВостНИИ, МакНИИ «¿Методические рекомендации •по проектированию дегазации сближенных пластов и. выработанных пространств угольных шахт» внедрены на шахтах основных бассейнов отрасли. Их использование позволило существенно повысить эффективность дегазации разгруженных горных массивов и экономичность способов дегазации с использованием скважин с поверхности.

Проблема комплексного решения задач управления газо-выделеннем и извлечения из шахт кондиционного метана решена в Методике определения параметров управления га-зовыделен'ием выемочного участка скважинами с поверхности с извлечением кондиционного метана. Методика разработана на основе адаптивной математической модели движения газа в разгружаемом горном массиве к скважинам и горным выработкам. В настоящее время она внедрена на шахтах Карагандинского бассейна и прошла апробацию в Донецком и Кузнецком бассейнах. На основе методики разработаны Рекомендации по автоматизированному проектированию дегазации скважинами с извлечением метана для прямой утилизации для условий шахт ПО «Донецкуголь», АСП «Ле-нинскуголь».

Разработана проектная документация, изготовлено оборудование и проведены испытания технологии утилизации безнапорного шахтного метана в мобильных газовых электростанциях с получением электрической и тепловой энергии. Технология внедрена на 4 шахтах. Программой технического перевооружения АСП «Ленинскуголь» намечено в 1993 г. создание ряда электростанций, обеспечивающих рост энерговооруженности предприятий на 20% за счет энергетического потенциала шахтного метана. Опытным заводом института ВНИИгаз технология принята к мелкосерийному производству.

Разработаны технология и оборудование и на шахте им. А. Ф. Засядько, проведены опытно-промышленные испытания технологии заправки автотранспорта моторным топливом на основе шахтного метана. Результатами испытаний доказана работоспособность и перспективность технологии и в настоящее время получены заказы от ПО «Донецкуголь», «Карагандауголь», «Ленинскуголь» на изготовление 5 комплектов оборудования и внедрение технологии на шахтах.

Результаты разработок по технологии ведения горных работ в инертной газовой среде вошли в Концепцию угольной шахты закрытого типа с безлюдной технологией горных работ в изолированной инертной газовом среде. Концепция реализуется в рамках Государственной программы Российской федерации с опытно-промышленными испытаниями техноло-

2

33

гии при отработке пласта «Бреевский» .-на шахте ..«Комсомолец» АСП «Ленинскуголь». •

Рекомендации по вскрытию и подготовке новых горизонтов шахт используются институтами «Кузбассгипрошахт» при. составлении проектов реконструкции, действующих, шахт бассейна. Планируется утилизация до 30% выделяющегося из. шахт метана, что обеспечит рост энерговооруженности ша'хт па 20—22% без увеличения энергопотребления от .внешних сетей. Такие энергетические возможности являются основой для технического перевооружения шахт.

Данные по внедрению технологии промышленного использования-шахтного метана представлены в табл. 4. Экономический эффект от внедрения разработки формируется за счет увеличения нагрузки на очистной забой, снижения ограничения интенсивности горных работ по газовому фактору; производства тепловой и электрической энергии за счет утилизации метана в газовых электростанциях; эксплуатации технологического транспорта шахт с использованием в качестве моторного топлива шахтного метана. На участках внедрения добыто 4,1 млн. т угля, произведено 31,8 млн. кВт-ч электроэнергии, произведено моторного топлива, эквивалентного 1,15 млн. л бензина. Экономический эффект от внедрения различных вариантов технологий на 12 шахтах составил 3,6 млн. руб. (в ценах 1991 г.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано новое решение актуальной для угольной промышленности научной проблемы повышения эффективности работы шахт при отработке пологих газоносных угольных пластов на основе промышленного использования метана, обеспечивающей интенсификацию горных работ ц рост энерговооруженности производственных процессов.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Доля шахтного метана, извлекаемого системами дегазации, который потенциально может быть утилизирован, не превышает по теплотворной способности 0,3% от добычи угля, и поэтому этот газ не представляет прямого экономического интереса как сопутствующий добыче угля энергоноситель. Использование его энергетического потенциала для повышения энерговооруженности производственных процессов на шахтах, обеспечивающих рост производительности труда до двух раз и нагрузки на очистной забой в 1,8 раза, является существенным фактором повышения эффективности работы шахт при отработке газоносных угольных пластов. При газообильности выемочных участков свыше 24 м3/мин в вы-

Таблица 4

Показатели внедрения технологии управления газовыделением и промышленного использования метана

Технические показатели

Технология Место внедрения расход газа, м3/мин содержание метана, % эффект дегазации, % получаемая энергия (объем добычи угля) Экономический эффект, тыс. руб.

Управление газовыделеии-ем вертикальными скважинами ГТО «Лештскуголь» ПО «Карагандауголь» Ж—ii) 8-3 60—40 65-35 44 53 1,9 млн. т 2,2 млн. т 865,43 40!,4

Электростанция ЭП-16 ш. «Комсомолец» ш. «Полысаевская» 0,1 0,4 25-00 15-60 — 48 кВт 48—48 кВт 106,0 203,0

Электростанция ЭП-100 ш. «Стахановская» ПО «Донсцкуголь» ПО «Ростовуголь» I ,0 1,0 1 ,0 15—60 15-60 15—60 — 100—100 кВт 100—100 кВт 100—100 кВт 370,0 370,0 370,0

Электростанция ЭП-200 ш. «Полысаевская» 2,5 15-60 — 200—200 кВт Прошла заводские испытания

Заправка автомобилен сжатым шахтным метаном ш. им. Засядько •3,0 80-95 — 144 тыс. литров бензина в год 554,0

Итого: 12 шахт — — — С62\83

CJ

работках участка целесообразно создать инертную газовую среду путем заполнения их метаном. При этом снимаются ограничения по газовому фактору интенсивности горных работ и практически весь выделяющийся при ведении очистных работ газ подлежит утилизации.

2. Промышленные ресурсы шахтного метана сосредоточены на действующих горизонтах шахт, горный массив которых находится под влиянием очистных работ. В результате направленного влияния очистных работ осуществляется эффективное управление газодинамическим состоянием разгружаемого газанасыщенного массива, создание нестационарного объема в массиве для газонакопления и газоподготовки. Извлечение из этого объема газа требуемого качества осуществляется скважинами с поверхности. Область применения этой технологии находится в диапазоне глубин 250—400 м для Кузнецкого и 350—550 м для Карагандинского бассейнов.

3. Разгруженный горный массив, газодинамическое состояние которого определяется при прочих равных условиях воздействием атмосферы очистного забоя и разрежением в фильтрующей части скважины, характеризуется наличием нестационарной зоны, границами которой являются поверхности, через которые практически отсутствуют потоки газа. Зона является объемом для газонакопления и газоподготовки метана. Установлены эмпирические зависимости для определения размеров н координат этих зон в объеме разгружаемого при ведении очистных работ газонасыщенного массива. Например, для условий Ленинского района Кузбасса установлено, что в плоскости разрабатываемого пласта координаты рассматриваемой зоны составляют по оси, направленной в глубь выработанного пространства, 80 и 480 м. Координаты зоны в вертикальном направлении составляют 30 и 210 м от разрабатываемого пласта. Для условий Карагандинского бассейна координаты зоны в плоскости разрабатываемого пласта достаточно точно определяются но известным в литературе зависимостям.

4. Для условий шахт Карагандинского бассейна установлен волновой характер изменения газодинамических характеристик разгружаемого горного массива в вертикальном направлении. Методом спектрального анализа определены параметры периодического процесса и разработана методика определения координат зоны массива, ограничивающей объем для газонакопления и газоподготовки метана. Апробация полученных результатов на шахтах показала, что минимальное содержание метана в извлекаемом газе возросло в 1,4 раза и было не ниже 50% при тех же расходах метана.

5. Разработана универсальная адаптивная математическая модель газодинамического состояния системы разгружа-

емый горный массив — очистной забой — скважина. Модель построена на основе уравнения неразрывности фильтрации сжимаемого газа в трещиновато-пористой среде, является теоретическим обобщением результатов экспериментальных исследований на шахтах и позволяет исследовать движение метана в разгружаемом горном массиве в широком диапазоне (пологие угольные пласты на действующих и вводимых горизонтах шахт Кузнецкого и Карагандинского бассейнов) горно-геологических условий. На базе установленных закономерностей разработана методика проектирования дегазации разгружаемых горных массивов, создания подземных коллекторов метана, газонакопления, газоподготсвки и извлечения газа требуемого качества. Достигнуты следующие показатели извлечения газа: расход — до 25 м3/мии из одной скважины, содержание метана — 45—65% (до 85%), извлечение из подземного коллектора — до 30 млн. м3.

6. Обоснованы принципиальные положения реализации технологии отработки высокогазообильных участков шахтного поля (свыше 24 м3/мин) в изолированном пространстве, заполненном инертной газовой средой, и, разработаны основные технические решения. Установлены закономерности газодинамического состояния изолированного пространства действующих горных выработок при создании и управлении инертной метановой средой. Процесс загазирования участка описывается нестационарным уравнением диффузии метана вдоль выработок, разгазирования — нестационарным уравнением турбулентной диффузии с учетом конвективного переноса при наличии вентиляционной струи. Аналитическими исследованиями и шахтными экспериментами! доказана возможность создания и надежного поддержания инертной газовой среды в действующих выработках выемочного участка.

7. Осуществлена классификация способов утилизации шахтного метана по признаку энергетической эффективности и разработана методика- выбора рациональной технологии извлечения и утилизации газа в конкретных условиях. Классификация и методика охватывают диапазон концентраций метана в извлекаемой смеси от 10 до 95%, нижний предет расхода газа составляет 0,4 м3/мнн.

8. Обоснованы основные отличительные признаки шахтного метана как энергоносителя, заключающиеся в нестационарности''источников; нестабильности содержания метана и расхода газа, низком давлении. Доказана целесообразность поддержания в протяженных газосборных коллекторах избыточного давления, а при утилизации газа непосредственно возле источника — разрежения в газоподводящем трубопроводе. Теоретически обоснованы и совместно с институтом ВНИИгаз разработаны технологии и изготовлены установки для производства электроэнергии и заправки автомобильно-

го транспорта, где в качестве энергоносителя используется шахтный метан. Шахтные испытания подтвердили работоспособность технологий в Широком диапазоне горно-геолотиче-ских условий. Использование энергетического потенциала шахтного метана на предприятиях ассоциации шахт «Ле-нинскуголь» позволяет увеличить их энерговооруженность на 20%, опытно-промышленная установка по заправке автомобилей сжатым шахтным метаном обеспечивает эксплуатацию 10—12 единиц технологического транспорта шахты.

9. Разработанная методология промышленного использования шахтного метана для повышения интенсивности горных работ и их энерговооруженности включает:

анализ горно-геологических условий участка шахтного поля 'и выбор технологии управления выделением метана, его накоплением и подготовкой в подземных коллекторах;

определение параметров подземного коллектора метана и показателей извлечения из него метана;

обоснование и выбор комплекса производственных процессов по повышению энерговооруженности добычи угля за счет использования метана;

конструирование схем вскрытия и подготовки новых горизонтов шахт, обеспечивающих эффективное управление газодинамическим состоянием разгружаемого горного массива, направленным влиянием очистных работ, создание крупных подземных коллекторов метана, газонакопление, газоподготовку и планомерное извлечение газа требуемого качества.

Внедрение результатов работы осуществлено и продолжается в настоящее время на шахтах Кузнецкого, Карагандинского и Донецкого угольных бассейнов.

Экономический эффект, полученный в результате роста интенсивности горных работ, составил 657 тыс. руб., утилизации метана — 3136 тыс. руб. (в ценах 1991 г.).

Технология и установки по утилизации шахтного метана приняты опытным заводом ВНИИгаз к малосерийному производству.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Красюк Н. Н. Основные принципы управления процессом заблаговременного воздействия на угольные пласты с целью подготовки к эффективной отработке. Тез. докл.: Всесоюзная научная- конференция по подземной разработке угольных месторождений. М.: МГИ, 1982, с. 11—12.

2. Красюк Н. Н. Надежность функционирования выемочного участка с учетом дегазации. — В сб.: Управление состоянием угленосной толщи. М.: МГИ, 1982, с. 39—42.

3. Бурчаков А. С., Красюк Н. Н., Сергеев И. В. и др. Методические рекомендации по проектированию дегазации сближенных пластов и выработанного пространства угольных шахт. М.: Мннуглепром СССР, 1984, 62 с.

4. Гуревич Ю. С., Красюк Н. Н. Технологическая схема дегазации выемочного участка. — В сб.: Управление состоянием горных пород. М.: МГИ, 1984, с. 50—53.

5. Красюк Н. Н., Мукаев М. Т. и др. Исследование технологии добычи шахтного метана. — В сб.: Способы воздействия на массив горных пород для экономичной и безопасной отработки угольных пластов. М.: МГИ, 1986, с. 49—51.

6. Красюк Н. Н., Гасликова И. Р. Управление газодинамическим состоянием выемочного участка скважинами, пробуренными с поверхности. — В сб.: Региональные способы активного воздействия на газовыбросоопасную толщу. М.: МГИ, 1986, с. 64—68.

7. Мукаев М. Т., Бубликов Ю. Л., Красюк Н. Н. Исследование режимов работы вертикальных дегазационных скважин в Карагандинском бассейне. — Уголь, 1987, № 3, с. 39— 41.

8. Красюк Н. Н., Коликов К. С., Боярчук Н. К. Интенсификация работы газодсбывающих скважин при заблаговре менной подготовке угольных месторождений. — В сб.: Технология подготовки шахтных полей с добычей угля и метана. М.: МГИ, 1987, с. 11 — 15.

9. Красюк Н. Н., Гасликова И. Р. Совершенствование технологии разработки' пологих газоносных пластов, —В сб.: Вскрытие и отработка шахтного поля блок-стволами, обеспечивающими снижение объема горных работ. М.: МГИ, 1987, с. 41—44.

10. Бурчаков А. С., Гуревич 10. С. Красюк Н. Н. и др.

Способы извлечения и использования шахтного метана. М.: МГИ, 1987, 49 с.

11. Бурчаков А. С., Гуревич 10. С., Красюк Н. Н. и др.

Технологические схемы заблаговременной подготовки шахтных полей и добычи метана. М.: МГИ, 1987, 49 с.

12. Красюк Н. Н. Попутное извлечение метана на угольных шахтах. — В сб.: Технология комплексного извлечения угля, газа, энергии, воды, породы. М.: МГИ, 1988, с. 53—54.

13. Красюк Н. Н. Технология горных работ в метановой среде с добычей метана. Тез. докл.: Интенсивная и безотходная технология разработки угольных и сланцевых месторож-джений. М.: МГИ, 1989, с. 49—50.

14. Красюк Н. Н., Сорокин Л. В., Бубликов М. Ю. Апробация методики автоматизированного проектирования дегазации выемочного участка. — В сб.: Системы автоматизированного проектирования шахт. М.: МГИ, 1989, с. 39—40.

15. Красюк Н. Н. Разработка газоносных угольных пластов 'В инертной метановой среде. — В сб.: Комплексное осво-. ение угольных месторождений. М.: МГИ, 1989, с. 72—75.

1С. Жмуровский Д. И., Красюк Н. Н. Попутная добыча и утилизация метана. Информационный листок. Кемерово, 1989, 3 с.

17. Жмуровский Д. И., Красюк Н. Н., Ксенофонтов С. И.

Технология извлечения кондиционного метана и его утилизация. Информационный листок. Кемерово, 1990, 3 с.

18. Гуревич Ю. С., Красюк Н. Н., Швец И. А. Извлечение метана из угольных пластов и его использование. — Безопасность труда в промышленности, 1989, № 11, с. 33—36.

19. Красюк Н. Н. Разработка свит пологих газоносных угольных пластов с попутным извлечением метана. — Уголь, 1989, № 12, с. 10—12.

20. Пучков Л. А., Бурчаков А. С., Красюк Н. Н. и др. Угольная шахта закрытого типа с безлюдной технологией горных работ в изолированной инертной газовой среде. Про-, спект ВДНХ СССР, 1990.

21. Красюк Н. Н., Гасликова И. Р. Моделирование движения газа в разгруженном горном массиве. Известия вузов. Горный журнал, 1990, Лг° 5, с, 61—64.

22. Красюк Н. Н. К вопросу извлечения метана угольных месторождений. — В сб.: Интенсивная подготовка и отработка шахтного поля. М;: МГИ, 1990, с. 88—95.

23. Жмуровский Д. И., Красюк Н. Н. Закономерности-извлечения метана скважинами. — В сб.: Управление газовы-. делением в угольных шахтах. Кемерово, КузПИ, 1990, с. 99—103.

24. Красюк Н. Н. Технологические решения по повышению эффективности отработки свит пологих высокогазоносных угольных пластов. М.: ИАЦ ГН, 1992, с. 89.

25. А. с. 1263880. Способ дегазации сближенных пластов, газоносных пород и выработанного пространства угольных шахт/А. С. Бурчаков, Н. Н. Красюк и др. Б. И. № 38, 1986.

26. А. с. 1479683. Способ дегазации1 угленосной толщи/ А.. С. Бурчаков, Н. Н. Красюк, Г. М. Дианов и др. Б. И. № 18, 1989.

27. А. с. 1425351. Способ извлечения метана/А. С. Бурчаков, Ю. С. Гуревич, Н. Н, Красюк и др. Б. И. № 35, 1988.

28. А. с. 1731950. Способ безлюдной разработки газоносных угольных пластов/А. С. Бурчаков, Н. Н. Красюк, К. В. Савков и др. Б. И. № 17, 1992.

Подписано в печать 01.1993 г. Формат 60x90/16 Объем 2,5 печ. л. + З вкл. Тираж 100 экз. Заказ № II.

Типография Московского горного института. Ленинский проспект, д. 6