автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.04, диссертация на тему:Повышение технической безопасности горных работ на основе региональных методов управления геомеханическими и газодинамическими процессами в угольных шахтах

На правах рукописи

ПРЕЗЕНТ Григорий Михайлович

УДК 622.27:622.831

ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ГОРНЫХ РАБОТ НА ОСНОВЕ РЕГИОНАЛЬНЫХ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИМИ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ

Специальность 05.26.04 - "Промышленная безопасность"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Московском государственном горном университете и Угольном департаменте АО "ИСПАТ-КАРМЕТ"

Научный консультант:

Докт. техн. наук, проф. Сластунов C.B.

Официальные оппоненты:

Докт. техн. наук, проф. Айруни А.Т.

Докт. техн. наук, проф. Сергеев И.В.

Докт. техн. наук Зайденварг В.Е.

Ведущая организация -ИПКОН АН Республики Казахстан (г.Караганда)

< S-o час.

Защита состоится " 23 " о^УЛ^Х-^_1998г. в ^

на заседании диссертационного совета Д-053.12.02 в Московском государственном горном университете по адресу: 117935, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Диссертация разослана " 2J » сг^ГЛ c}/Cf 1998г

Ученый секретарь диссертационного совета, докт. техн. наук, проф.

КУЗНЕЦОВ Ю.Н

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА-РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Угольные предприятия являются объектами производства с высоким уровнем опасности труда. Наибольший травматизм наблюдается на предприятиях с подземным способом добычи угля. В газообильиых шахтах опасность труда усугубляется взрывами и вспышками метановоздушных смесей, внезапными выбросами угля и газа.

За последние 20 лет в угольной отрасли б. СССР произошло более 30 аварий с групповыми несчастными случаями, при которых погибло более 400 человек, из них более 85% от взрывов газа и угольной пыли. Проблемы метана актуальны для большинства угольных бассейнов СНГ.

В условиях реструктуризации угольной отрасли общее число очистных забоев снижается, при этом для обеспечения высоких технико-экономических показателей угледобычи нагрузка на них должна повышаться. Интенсификация добычи угля на газоносных угольных пластах и увеличение глубины разработки приводит к повышению газообильности шахт, и газовый фактор становится одним из решающих в ограничении скоростей подвигания очистных и подготовительных забоев.

С другой стороны, газоносные угольные месторождения во всем мире считаются нетрадиционными источниками углеводородных газов. Угольный метан во многих странах, в том числе в России и Казахстане, рассматривается в качестве компонента топливно-энергетической сырьевой базы. Прогнозные ресурсы метана угольных месторождений СНГ оцениваются по различным источниках в пределах 100 триллионов м", что близко к запасам традиционных газовых месторождений.

Ежегодно на шахтах Карагандинского бассейна средствами вентиляции и дегазации извлекается более 600 млн.м3 метана. На долю дегазации приходится около 100 млн.м3, из которых 3-6 мли-м"1 утилизируются прямым сжиганием в котельных установках шахт. Остальной метан выбрасывается в атмосферу. Потери такого экологически ценного энергоносителя эквивалентны 1 млн.т угля в год. При замене твердого топлива шахтным газом - метаном объемы вредных выбросов в атмосферу снижаются на 55 тыс. т в год или на 65% от их общего количества, что значительно улучшит экологическую обстановку в регионе. В связи с изложенным можно объективно утверждать об актуальности проблемы повышения технической и экологической безопасности горных работ на основе реализации региональных методов управления геомеханическими и

газодинамическими процессами в угольных шахтах.

Целью работы является установление закономерностей проявлений геомеханических и газодинамических процессов для обоснования технических и технологических решений по повышению уровня технической безопасности ведения горных работ, комплексности освоения ресурсов угольных месторождений, обеспечивающих эффективность функционирования шахт в новых экономических условиях.

Идея диссертации заключается в том, что повышение уровня технической безопасности ведения горных работ, технико-экономических и экологических показателей отработки запасов угольных месторождений обеспечивается за счет перехода на прогрессивные технологии управления газодинамическим и геомеханическим состоянием углепородного массива как непременного условия рационализации производства _и комплексности освоения углегазовых месторождений.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий анализ литературных и фондовых материалов, теоретическое обобщение результатов исследований в области изучения свойств и состояния угленосного массива, теоретического исследования механизма активных воздействий на углепородный массив в различных горногеологических и горнотехнических условиях, натурные эксперименты в шахтных условиях, лабораторные исследования, методы теории вероятности и математической статистики.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Эффективная реструктуризация угольной отрасли в новых экономических условиях, сопровождающаяся повышением интенсификации и концентрации горных работ, должна базироваться на использовании прогрессивных технологий управления газодинамическим и геомеханическим состоянием углепородного массива для локализации негативных проявлений факторов природного происхождения.

2. Кардинальное решение проблемы угольного метана заключается в эффективном его извлечении и использовании на всех стадиях разработки угольного месторождения: после проведения геолого-разведочных работ (заблаговременная дегазация и добыча метана), в процессе подготовки месторождения к отработке (предварительная дегазация и попутное извлечение метана), в процессе эксплуатации (текущая дегазация и извлечение метана из вентиляционных потоков) и после извлечения угля (извлечение метана из выработанного пространства и разгруженных от горного давления нерабочих пластов и пород).

3. Повышение уровня технической безопасности ведения горных работ, существенное улучшение технико-экономических и экологических показателей отработки запасов высокогазоносных угольных месторождений достигается на базе комплексного освоения их ресурсного потенциала с использованием скважин, пробуренных с земной поверхности.

4.Метановоздушные смеси с концентрацией ниже допустимой нормативными документами могут эффективно утилизироваться по рекомендуемым технологиям за счет объединения с высококондиционным метаном из поверхностных скважин ГРП и ПГВ в технологическом цикле комплексных специализированных участков по извлечению и использованию метана.

5. На шахтных полях, предназначенных для разработки низкопроницаемых угольных пластов (К< 0,1 мД), экономическая эффективность извлечения. метана достигается на основе многоцелевого использования скважин, пробуренных с поверхности, обеспечивающего техническую и экологическую безопасность горных работ, интенсификацию угледобычи и использование извлекаемого метана.

6. Экономически оправданная добыча угольного метана может осуществляться вне шахтных полей при обеспечении минимально допустимого дебита скважин (в Карагандинском бассейне -5 м 3/мин), для чего должны быть разработаны надежные технологии извлечения метана или методы поиска благоприятных для добычи горно-геологических условий.

7. Заблаговременная скважинная дегазационная подготовка на базе способов активного воздействия на неразгруженные угольные пласты обеспечивает изменение газодинамического и геомеханического состояния угленосной толщи и снижает выбросоопасность угольных пластов.

8. Эффективная подготовка угольных месторождений к безопасной и экономичной отработке их запасов базируется на реализации выявленных закономерностей проявлений геомеханических процессов, происходящих в обработанном массиве, обобщении и анализе результатов натурных экспериментов на шахтных полях и учете их при обосновании рациональных технологических решений.

9. Управление отжимом угля в очистных забоях эффективно реализуется за счет учета динамики разрушения угля при различных формах очистного забоя.

10. Повышение уровня безопасности и технико-экономических показателей ведения горных работ при переходе на восходящий порядок отработки запасов сближенных пластов

достигается при объективном учете специфики сдвижения массива на больших глубинах и динамики восстановления горного давления.

1 ¡.Повышение эффективности реализации комплексного способа дегазации достигается при учете характеристик изменения блочно-трещиноватой структуры угольного пласта в зоне активного воздействия и ее размеров при определении параметров заложения пластовых скважин.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются:

• представительным объемом шахтных исследований эффективности заблаговременной дегазационной подготовки;

• удовлетворительной сходимостью результатов теоретических исследований с экспериментальными данными (погрешность не более 15-20%);

• положительными результатами промышленной апробации способа снижения отжима угля в очистных забоях, восходящего порядка отработки и снижения газоносности и выбросоопасности угольных пластов на основе заблаговременной их подготовки.

Научная новизна результатов исследований состоит в следующем:

• разработана методика выбора способов управления геомеханическими и газодинамическими процессами с учетом горно-геологических условий и программы развития горных работ;

• разработаны методические основы выбора вариантов комплексного развития смежных шахт при вскрытии и подготовке новых горизонтов;

• разработана эффективная технология двухстадийного извлечения метана из угленосного массива, учитывающая взаимосвязь с развитием основных горных работ и базирующаяся на усовершенствовании ранее применявшихся и разработке принципиально новых технологических решений по активному воздействию на угольные пласты;

• установлены закономерности деформирования и разрушения призабойной части угольного массива, позволяющие определить рациональные параметры технологии снижения интенсивности отжима угля;

• разработаны методы определения основных параметров

перспективной технологии поэтапного извлечения метана из низкопроницаемых неразгруженных угольных пластов;

• усовершенствована технология комплексной дегазации высокогазоносных мощных угольных пластов с использованием скважин с поверхности и пластовых скважин, пробуренных из подземных выработок;

• установлен механизм проявлений горного давления в зонах пневмогидродинамических воздействий и обоснованы мероприятия по сохранности основных газоотводящих каналов угольных пластов;

• обоснована область эффективного применения технологии добычи метана и разработаны основные требования к условиям ее реализации.

Научное значение работы состоит в разработке методической базы обоснования способов управления газодинамическими и геомеханическими процессами в угольных шахтах, уточнения структуры угольного пласта в зонах активного воздействия на массив и эффективных технологических решений по комплексному освоению ресурсного потенциала угольных месторождений.

Практическое значение работы:

• разработана технология извлечения метана из неразгруженных угольных пластов с использованием новых видов воздействия на пласт (пневмогидровоздействие, циклическое гидрорасчленение с использованием азота, криогенная технология, гндроимпульсное воздействие с использованием пороховых генераторов давления, воздействие в режиме кавитации и ряд других);

• внедрена технология поэтапного извлечения и использования метана угольных пластов, позволяющая существенно снизить газовыделение в горные выработки и выбросоопасность угольных пластов, подтверждена технико-экономическая эффективность работ;

• разработан способ управления отжимом угля, обеспечивающий повышение уровня безопасности и эффективности очистных работ;

• внедрены способы управления газовыделением и напряженно-деформированным состоянием углепородного массива при подработке мощного высокогазоносного угольного пласта;

• разработана и внедрена технология комплексной дегазации с учетом структуры угольного пласта в зонах активных

воздействий.

Реализация результатов работы.

Разработаны,согласованы, утверждены в установленном порядке и реализованы на полях шахт им.Костенко, им.Ленина, "Сокурская" производственного объединения "Карагандауголь" проекты на заблаговременную и предварительную дегазацию через скважины с поверхности с использованием термодинамических и физико-химических способов активного воздействия на угленосную толщу.

Программа и методика экспериментальных работ по совершенствованию способа гидрорасчленения угольных пластов для дегазации и борьбы с выбросами угля и газа путем пневморасчленения, теплового и волнового воздействий, внутрипластового взрыва и расчленения с использованием сжиженных газов на 1981-1985 гг. утверждены Минуглепромом СССР.

Программа и методика экспериментальных работ по заблаговременной подготовке угольных месторождений для безопасной и эффективной разработки путем термогидродинамических и химических способов активного воздействия на пласт на 1986-1990 гг. утверждены Минуглепромом СССР.

Программа и методика шахтных испытаний технологии заблаговременной дегазации угленосной толщи путем пневмо-гидровоздействия через скважины с поверхности утверждены Минуглепромом СССР.

Методика экспериментальных работ на шахтах по совершенствованию метода гидрорасчленения угольных пластов путем пневмотеплового воздействия утверждена секцией Цетральной комиссии по борьбе с выбросами угля, породы и газа.

Результаты исследований также использованы при отработке запасов угольных пластов на шахтах им.Костенко и "Шахтинская" (способ снижения отжима угля), при перспективном планировании развития горных работ на шахтах "Стахановская", им.Костенко, им.Кузембаева, «Саранская», «Сокурская» и др.

Апробации работы.

Результаты, изложенные в диссертации, докладывались и получили одобрение на Всесоюзной научно-технической конференции "Дегазация угольных шахт и утилизация добываемого метана" (Донецк, 1978), Всесоюзной конференции "Комплексное использование исследований физических свойств горных пород"

(Москва., 1981), конференции "Основные направления создания способов управления состоянием толщи" (Москва, 1982), Всесоюзной конференции "Теория и практика гидроразрыва пластов" (Ленинград, 1987), Всесоюзной научно-технической конференции "Интенсивные и безотходные технологии разработки месторождений угольной и сланцевой промышленности" (Караганда, 1989), VIII Всесоюзном совещании по управлению вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах (Академгородок СО АН СССР, 1991), III Международном симпозиуме "Бурение скважин в осложненных условиях" (С- Петербург, 1995), 1-ой Международной конференции "Среда, технология, ресурсы" (Резекне, 1997), научных симпозиумах в рамках "Неделя Горняка - 97" и "Неделя Горняка - 98", межвузовской научно-практической конференции "Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы _.и решения" (Воркута, 1998), а также на заседаниях ученых советов КНИУИ, МГИ, технических советов производственного объединения "Карагандауголъ", угольного департамента АО "ИСПАТ-КАРМЕТ", на научных семинарах и совещаниях: в Главном управлении техники безопасности, горноспасательных частей и охраны труда Минуглепрома СССР, в НПО "Криогенмаш" и Раменском отделении ВНИПИвзрывгеофизики, ОАО "Росуголь", а также на научном семенаре кафедр ИЗОС и АОТМГГУ (Москва, 1998).

Публикации. По теме диссертации автором опубликованы 32 статьи и 3 монографии.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 9 глав, заключения, списка литературы из 138 наименований, содержит .¿С.?страниц текста, в том числе 64 рисунка, 43 таблицы и 2 приложения.

Автор выражает благодарность ученым Московского государственного горного университета - руководителю научного направления, чл.-кор. РАН Л.А.Пучкову, проф.,докт.техн. наук С.В.Сластунову, проф., докт.техн.наук Ю.Ф.Васючкову и проф., докт. техн. наук С.А.Ярунину, коллективам кафедр ТПУ, АОТ и ИЗОС; докт.техн.наук С.К.Баймухаметову и канд. техн.наук И.А.Швецу за многолетнее плодотворное сотрудничество и помощь в работе.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Проблемы повышения уровня технической безопасности при реструктуризации Карагандинского угольного бассейна

Карагандинский угольный бассейн с его высоким производственным, кадровым потенциалом, хорошо налаженной инфраструктурой, занимавший лидирующие позиции по основным технико-экономическим показателям в угольной отрасли Союза, начиная с 1992 г. остался без государственной поддержки. Как свидетельствует мировая практика, подземная добыча без дотаций государства или других финансовых источников не может нормально работать и развиваться. При устойчивых рынках сбыта угольной продукции в первые годы переходного периода подземная добыча поддерживалась за счет внутренней дотации, создаваемой эффективной работой угольных разрезов. Но государственное регулирование цен на уголь в сторону искусственного понижения, огромное налоговое бремя, необходимость финансирования социальной инфраструктуры городов и поселков области за счет угля вели к сокращению капиталовложений в развитие бассейна. Старение парка горнодобывающей техники, дефицит материалов и запасных частей сказывались на работе всех шахт, уменьшились добыча коксующихся углей и производство коксового концентрата -основные источники получения денежных средств.

Снижение угледобычи носит постоянный характер. С 1992 по 1998 гг. она была снижена в 2 раза. В этой ситуации перспективы имеют шахты, разрабатывающие пласты, угли которых идут на коксование. В Карагандинском бассейне это пласты Д6, Д9, Дщ, Ть К-., К,0, К|2 , которые отнесены к угрожаемым или опасным по внезапным выбросам угля и газа и имеют высокую природную газоносность. В настоящее время доля добычи угля с выбросоопасных пластов в бассейне составляет около 30% и в дальнейшем будет возрастать. Все шахты, разрабатывающие эти пласты, отнесены к сверхкатегорийным по газу. Это приводит к значительным затратам по созданию безопасных условий ведения горных работ.

Из горно-геологических условий необходимо отметить также усиление влияния горного давления с увеличением глубины разработки, сопровождающееся повышенным отжимом угля в очистных забоях и ухудшением условий поддержания горных выработок.

Ситуация осложняется тем, что преобладавший при плановом хозяйстве экстенсивный путь развития производства привел к значительному росту удельной протяженности поддерживаемых горных выработок в условиях сокращения добычи угля. Поэтому только кардинальное повышение технико-экономических показателей позволит сохранить шахты Карагандинского бассейна.

Основным направлением в достижении этой цели является реструктуризация угольного департамента, базирующаяся на внедрении прогрессивных способов управления газовыделением и напряженно-деформированным состоянием массива, повышении концентрации горных работ и комплексности разработки высокогазоносных угольных месторождений.

Реструктуризация предусматривает концентрацию финансовых и материально-технических средств на наиболее перспективных участках развития, снижение управленческих расходов за счет объединения ряда шахт между собой, повышение личной заинтересованности отдельных исполнителей (смены, бригады).

В целях повышения управляемости производством, контроля за использованием средств были приняты следующие меры. Все виды платежей были централизованы. Предприятия лишены статуса юридического лица и освобождены от расчетов с бюджетом и внебюджетными фондами. Вся финансовая деятельность угольного департамента регламентировалась месячными бизнес-планами.

Вместе с тем, наработанная в период самостоятельности предприятий схема финансовых взаимоотношений внутри угольного департамента осталась без изменений. Каждая шахта в пределах запланированных в бизнес-плане на месяц средств самостоятельно решает, как их использовать. Приобретение материалов, оборудования, получение услуг вспомогательных и обслуживающих предприятий производится строго на сумму запланированных средств в бизнес-плане каждой шахты, исключая перерасход затрат.

Планирование объема добычи, ценообразование, реализация угля и угольной продукции, инвестиционная политика являются компетенцией Главного управления угольного департамента, которое определяет стратегию производственной деятельности и пути повышения экономической эффективности добычи угля. Все вводимые в эксплуатацию лавы практически полностью оснащались новым оборудованием, что очень важно в связи с неудовлетворительным техническим состоянием находящегося в эксплуатации оборудования, которое длительное время из-за отсутствия средств не обновлялось.

Обеспечение шахт необходимыми оборотными средствами, погашение долгов по заработной плате не могло не сказаться и на

объемах добычи. В июле 1996 г. было добыто 750 тыс.т, в июле 1997 г. - 1276 тыс.т, среднемесячная производительность труда за этот период выросла на 84.4% и составила 55,7 т/мес. Значительно увеличилась среднесуточная нагрузка на лаву (более 1000 т/сут). Среднемесячная заработная плата выросла на 69,0%. Себестоимость 1 т добываемого угля при этом снизилась на 12,5%. Для этого периода характерен процесс оздоровления не только сильных, но и тех шахт, участь которых была предрешена.

Увеличение производства в настоящее время поставлено в прямую зависимость от рынков сбыта. В настоящее время проблема, которая лежит в основе дальнейшего благополучия шахт, -повышение конкурентноспособности угля и угольной продукции. Возможность повышения конкурентноспособности

карагандинского угля на рынке сбыта - это существенное сокращение затрат на производство. На основе маркетингового прогноза потребности в добыче угля необходимо отказаться от подготовки лав с высокой себестоимостью добычи, даже если это приведет к закрытию шахты. Трудоустройство горняков с закрываемой шахты возможно на других шахтах департамента для поддержания необходимого объема добычи угля аналогичного качества в лавах с меньшими затратами. Такое решение реализуются на шахте "Молодежная", где отказались от отработки маломощных и высокозольных пластов Д] и Д5 , коксующегося угля марки КЖ. Осуществляется дальнейшая работа по концентрации горных работ с исключением значительных условно-постоянных затрат. С этой целью шахта "Сокурская" присоединена к шахте "Саранская". При этом значительно сокращается протяженность поддерживаемых выработок, затраты на вентиляцию и т.д. Часть запасов шахтного поля при этом консервируется, остальные отрабатываются шахтой "Саранская". Для трудоустройства горняков основных профессий подготовлены резервные лавы и забои на пластах, где возможно достижение высоких технико-экономических показателей. Осуществлены аналогичные решения на ряде других шахт бассейна.

Для принятия таких решений разработаны методические подходы комплексного развития смежных шахт при вскрытии и подготовке новых горизонтов, представляющие 10 этапов технико-экономического анализа, основньми из которых являются:

• определение технического уровня смежных шахт по индексу «старения» технологии и на основе этого базовой шахты;

• оптимизация транспортных и вентиляционных сетей и параметров выемочных полей;

• оценка количества сокращаемых стволов и охранных целиков под ними, определение высвобождаемых запасов угля,

увеличивающих срок службы шахты;

• определение суммарной проектной мощности смежных шахт при их комплексном развитии;

• оценка экономической эффективности комплексного развития смежных шахт при вскрытии и подготовке новых горизонтов с объединением их в единую технологическую систему.

В 1997 г. среднесуточная нагрузка на действующую лаву в целом по департаменту составила более 1 ООО т. Такой нагрузки в объединении "Карагандауголь" раньше не было. Но этого недостаточно для достижения высоких экономических показателей и, главное, снижения себестоимости. Путь повышения нагрузок на лавы при уменьшении их количества - единственно правильный для достижения поставленных целей. Ведется подготовка выемочных полей с большими запасами, что позволит при оснащении лав лучшими образцами горнодобывающей техники довести добычу из одной лавы до 4-5 тыс.т угля в сутки. Работа с такой нагрузкой обеспечит самоокупаемость затрат на приобретение новой техники, позволит сделать шахту компактной, с небольшой численностью персонала, экономически эффективной, способной нормально работать в условиях рыночной экономики.

Вопросы повышения нагрузок на очистные забои невозможно решить без создания и внедрения эффективных способов борьбы с проявлениями горного давления и особенно с газом в угольной шахте. И это один из наиболее важных выводов из обзора проблем реструктуризации шахт Карагандинского угольного бассейна.

2. Механизм управления газодинамическим состоянием угленосного массива.

Угольный метан должен эффективно извлекаться и использоваться на всех стадиях разработки угольного месторождения: непосредственно после геологоразведки (заблаговременная дегазация и добыча метана), в процессе подготовки шахтных полей к эксплуатации (предварительная дегазация и попутное извлечение метана), непосредственно при эксплуатации (текущая дегазация и использование метана из вентиляционных струй) и последующее извлечение метана из выработанного пространства и разгруженных нерабочих угольных пластов и газоносных горных пород. Для осуществления такого подхода в процессе разработки угольного месторождения

целесообразно предусматривать аналогично геолого-разведочным работам самостоятельную стадию работ - стадию заблаговременной подготовки угольного месторождения к эффективной,

технологически и экологически безопасной разработке. Инженерным инструментом для такой подготовки могут быть не подлежащие тампонажу геолого-разведочные скважины, переоборудованные под технические для активных воздействий на угольный массив с целью извлечения из него угольного метана. Эта стадия работ должна начинаться заблаговременно не менее чем за 35 лет до начала ведения основных горных работ по добыче угля, так как процесс извлечения газа из угля весьма длителен и исчисляется годами.

Основоположником научной школы рудничной аэрологии является выдающийся русский ученый акад. А.А.Скочинский. Широко известны работы ученых и специалистов горного производства, направленные на разработку эффективных способов и средств борьбы с метаном в угольных шахтах (Н.Н.Черницын, И.М.Печук, Л.Н.Быков, В.Н.Воронин, Г.Д.Лидин, О.ИЛернов, И.В.Сергеев, Е.И.Преображенская, А.Т.Айруни, А.Э.Петросян,

A.В.Артемов, К.З.Ушаков, Ф.С.Клебанов, Л.А.Пучков,

B.И.Мурашов, И.И.Медведев, Б.Ф.Кирин, А.М.Морев, А.И.Бобров, В.А.Садчиков, О.И.Касимов и др.).

В Карагандинском бассейне эффективность дегазации стабильно находится на уровне 46-48%, однако дальнейшее углубление работ приводит к увеличению затрат, доли текущей дегазации и сокращению предварительной дегазации. Основным недостатком применяемых схем дегазации является их нетехнологичность, большое количество способов (до 4-5), необходимых для достижения требуемой степени дегазации, высокая стоимость.

Более сложная ситуация наблюдается в отношении предотвращения внезапных выбросов угля и газа и внезапных прорывов газа из разломов почвы, характерных для условий особо выбросоопасного пласта Д^ (ш.им. Ленина). Имеющие наиболее широкое распространение локальные способы (гидроотжим, бурение в почву скважин большого диаметра) нетехнологичны по сути и не обеспечивают полного решения проблемы. Неоднократно отмечались газодинамические явления при безопасных по выбросам значениях газоносности.

В процессе сокращения объемов добычи угля значительно возрастает удельная протяженность поддерживаемых горных выработок. Сокращение нагрузки на очистные забои приводит к усилению отжима угля и, как следствие, снижению технико-экономических показателей и безопасности ведения горных работ.

В последнее время все большее значение приобретают вопросы экологии. Одним из шагов в этом направлении является

использование шахтного метана, позволяющее повысить комплексность разработки угольных месторождений и получить не только экологический, но и дополнительный экономический эффект.

Большой вклад в развитие указанных направлений внесли ИГД им. А.А.Скочинского, ДонУГИ, КузГТУ, ИУ СО РАН, КарПТИ, Донецуглеавтоматика, МНИИЭКО (б.ВНИИОСуголь)

ПечорНИИпроект и другие организации.

Гидрорасчленение угольных пластов, предложенное в МГИ Н.В.Ножкиным, доказало свою эффективность в ходе опытно-промышленной проверки и внедрения на шахтах Карагандинского бассейна как на действующих горизонтах при комплексной дегазации в сочетании с пластовыми скважинами, так и при заблаговременной дегазации перспективных горизонтов. Учеными МГГУ на протяжении ряда лет велась работа по заблаговременной дегазации угольных пластов через скважины с поверхности. На ряде шахт Донецкого и Карагандинского бассейнов доказана высокая эффективность способа по снижению газовыделения в горные выработки (70-75% на шахтах "Зуевская", "Коммунист", "Сокурская", им. Костенко" и некоторых других). Однако с глубины более 500-550 м этот способ снижает свою эффективность. К его недостаткам в определенных горно-геологических условиях следует отнести неравномерный съем газа по обработанной площади запасов и значительный период времени между вложением средств и получением экономического эффекта. В совершенствование технологии заблаговременной дегазации и проведение масштабных шахтных испытаний существенный вклад внесли Ю.Ф.Васючков, С.А.Ярунин, А.С.Бурчаков, В.А.Громов, А.И.Буханцов, И.А.Швец, Ш.У.Ахметбеков, Н.Х.Шарипов и многие другие.

Способ гидрорасчленения угольных пластов может применяться также для добычи метана из последних. Аналогичная технология нашла широкое применение в ряде стран, например, в США, где в настоящее время добывается до 25 млрд.м" метана из угольных месторождений.

Для проектирования заблаговременной дегазации угольного пласта и разработки основных параметров активных воздействий были определены или оценены фильтрационные, физико-химические, физико-технические и некоторые другие свойства угленосной толщи. Основным фактором, определяющим фильтрационную газопроницаемость углей, является эндогенная трещиноватость. В Карагандинском бассейне угольные пласты имеют открытую пористость преимущественно от 2 до 10%.

Обобщены результаты исследований по определению основных параметров трещиноватости в зонах гидрорасчленения и вне их, которые проводились для ряда угольных пластов Донецкого, Карагандинского и Печорского бассейнов (Буханцов А.И., Терентьев Б.Д., Ярунин С.А., Ахметбеков Ш.У. и др.)- Величина теплоты сорбции метана на угле и основные теплофизические характеристики последнего важны дня оценки баланса физико-химических процессов, происходящих в результате активных воздействий. В итоге проведенных совместно с ЙПКОН РАН экспериментов по определению тепловой сорбции и десорбции калориметрическим способом для теплофизических расчетов независимо от давления рекомендована величина теплоты десорбции 178 ккал/м3 метана для ископаемых углей - от длиннопламенных до полуантрацитов включительно.

Проанализированы характер и основные законы движения текучих в пористой среде. Для обоснования выбора рабочих агентов, применяемых при активных воздействиях на угольные пласты, был использован предложенный Ю.Ф. Васючковым метод оценки термодинамической стабильности веществ по величине ! остаточной энергии молекул в сорбционном объеме U0. Показано, что для замещения метана в сорбционном объеме угля целесообразно использовать такие газы, как азот, кислород, углекислый газ и воздух. С позиции термодинамики перечисленные вещества, выступая в качестве рабочих агентов, способствуют десорбции метана по тепловому механизму, т.е. являясь более термодинамически стабильным, эти вещества сорбируются углем с выделением тепла, способствующего десорбции метана. Эти рабочие агенты и использовались в дальнейшем при активных воздействиях на пласт (воздух, азот).

Обобщены и проанализированы известные аналитические исследования процессов нагнетания текучих в режиме фильтрации и гидрорасчленения. Это основные режимы внедрения рабочей жидкости в пласт, поскольку собственно гидровоздействие на угольные пласты по прежнему остается базовым воздействием. В первую очередь это предопределено технологическими факторами. Основная цель базового воздействия - раскрытие трещин в угольном пласте на 120-150 м. Такое силовое воздействие возможно осуществить 5-10 мощными насосными агрегатами типа 1УН-630/700, которые нашли применение в нефтяной промышленности. При дегазации неразгруженных угольных пластов с природной проницаемостью К=0,1—0,001 мД без такого воздействия обеспечить длительный приток газа к скважине невозможно.

Были теоретически, аналитически и экспериментально

исследованы ряд других активных воздействий на неразгруженные угольные пласты как первой стадии комплексного поэтапного извлечения метана из угольной толщи: пневмовоздействие, тепловое воздействие, расчленение с использованием азота и ряд других. В работе обобщены результаты исследованний, проведенных при участии автора, по теории и механизму основных активных пневмогидродинамических воздействий.

Пневмотепловое воздействие осуществляется путем нагнетания в подвергнутый гидрорасчленению угольный пласт нагретого воздуха с параметрами, обеспечивающими повышение фазовой проницаемости пласта для газа, что достигается за счет образования и объединения имеющихся в пласте фильтрующих каналов в единую систему, ориентированную к скважине, оттеснения рабочей жидкости и тепловой десорбции метана. Повышенная температура пласта в зоне обработки является результатом первоначального избыточного теплосодержания воздуха, адсорбции его компонент на угле и выделения тепла в процессе окисления последнего кислородом. С учетом указанных факторов был определен минимально необходимый объем воздуха V.

Циклическое гидрорасчленение с использованием газообразного азота является способом интенсификации гидрорасчленения угольного пласта, а именно одной из наиболее трудоемких его стадий - процесса удаления рабочей жидкости и газа из обработанного пласта. Интенсификация процесса освоения скважины достигается следующим образом. Перед расчленением пласта в зоне перфорации и прискваженной зоне создается "газовая подушка", в процессе последующего нагнетания воды производится смешение малорастворимого в воде азота с жидкостью гидрорасчленения в скважине. После окончания гидрорасчленения скважина открывается, давление в системе падает и пузырьки азота, расширяясь, заставляют отработанную рабочую жидкость выходить из пласта и поступать в скважину. В самой скважине расширяющиеся пузырьки азота действуют подобно газлифту и выносят отработанную жидкость на поверхность. Рассмотрена математическая модель выноса воды газом из пласта по данной схеме. С учетом аэрации воды установлено оптимальное соотношение для возможной области применения способа:

УЫ2/УВ= 20+50,

т.е. на 1 м3 воды необходимо закачивать от 20 до 50 м3 азота (н.у.).

Гидрорасчленение пласта с использованием сжиженного газа проводится с целью интенсификации процесса раскрытия естественных систем трещин пласта вследствие увеличения

равномерности обработки по повышению проницаемости пласта путем временного закрытия льдом основных, уже раскрытых систем трещин и раскрытия дополнительных систем трещин в процессе повторного гидрорасчленения. В качестве хладоагента был выбран сжиженный азот из-за его инертности, достаточно низкой температуры кипения (-196°С) и наличия криогенной техники по его доставке и подаче в пласт.

Определены параметры процесса. Ледяная перемычка образуется в трещине пласта при замораживании воды. При этом соприкасающаяся с углем поверхность перемычки повторяет все неровности станки трещины. При дальнейшем охлаждении лед, расширяясь, впрессовывается в стенки трещины. Расчетная схема по этой модели приведена в работе. Определена минимальная мощность ледяной перемычки для характерных условий Карагандинского бассейна^. Аналитические исследования позволили оценить количество циклов охлаждения и их длительность. Для проведения процесса необходимо провести 50 - 60 циклов с длительностью каждого не менее 20 мин. Анализ численного решения уравнений с учетом потерь тепла показал, что для рассматриваемой технологической схемы воздействия время захолаживания трещин должно быть не менее 10 сут.

Разработана методология конструирования общей технологической схемы заблаговременной дегазации угольного пласта, которая должна осуществляться поэтапно и включать в каждом конкретном случае необходимый минимум технологических операций из числа рассмотренных выше и новых, которые в процессе апробации подтвердят свою перспективность. На настоящий момент общая технологическая схема для среднеожидаемых условий Карагандинского бассейна и для осложненных условий приведена на рис. 1.

Работа очистного забоя с нагрузкой 1000 т/см. на мощном газоносном пласте требует достижения эффективности дегазации 0,6-0,7. Установлено, что при сроке дегазации до 2 лет на глубинах свыше 450м такой эффективности позволяет достигать применение комплексного метода, включающего гидравлическое расчленение пласта через вертикальные скважины с поверхности и съем газа через подземные пластовые скважины. При этом создается принципиальная возможность управления газодинамическим состоянием выемочного участка в условиях действующих горизонтов шахт. Определены основные параметры указанного метода.

Дегазация разгруженного массива вертикальными скважинами заключается в использовании скважины, пробуренной с поверхности, и процесса переноса метана в подработанном

ОБЩАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ЗАБЛАГОВРЕМЕННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАНА ДЛЯ УСЛОВИЙ КАРАГАНДИНСКОГО

БАССЕЙНА

а) Заблаговременная дегазация (основная схема)

активное воздействие освоение

б) Заблаговременная дегазация (усиленная схема)

ЗГ

к ГРП, птв

1 1

ГРП. птв —" ПБ+ЗрлН ск

в) добыча угольного метана

А

Совершенное ВскРЫтие пласта КаЕерно -оЗроьоЬание Кавитация ПТВ ск

где:

1 - ГРП с использованием газообразного азота

2 - Пневмотепловое воздействие

3 - Модификация эрлифтной откачки

4 - Освоение станком-качалкой

5 -Дополнительное воздействие (криогенное, акустическое, электро и др.)-

Рис. 1.

массиве через образующиеся трещины, расслоения и разломы под действием разности давлений газа. Возмущающие действия в массив вносят скважина с поверхности, вентиляционная струя и средства интенсификации перемещения газа. Исследован механизм управления газодинамическим состоянием подработанного массива, разработана математическая модель, позволяющая определить распределение во времени и пространстве давления газовоздушной смеси, концентрацию метана и скорость перемещения газа в подработанном массиве.

Эти характеристики явились исходными для выбора технологической схемы и параметров добычи метана через скважины, пробуренные с поверхности. Подбором параметров схемы достигаются условия, при которых на выемочный участок подается минимальное количество воздуха, а весь избыточный метан извлекается через скважины. Регулирование концентрации метана и дебита газа из каждой скважины позволяет получать метановоздушную смесь, пригодную для использования в народном хозяйстве. Исследованиями процесса добычи метана скважинами с помощью разработанной модели с учетом характера сдвижения горных пород при их подработке установлены основные параметры технологической схемы.

3. Натурные испытания технологических решений по управлению газодинамическими процессами на поле шахты им. Костенко

Шахтные испытания в Карагандинском бассейне в рассматриваемом в работе научном направлении ведутся более 30 лет. В работе представлены и проанализированы результаты апробации гидродинамического воздействия и других способов управления свойствами и состоянием углегазоносного массива через скважины с поверхности, реализованные при непосредственном участии автора на шахте им. Костенко, как наиболее типичном для бассейна объекте в плане борьбы с газом, пылью, выбросами угля и газа, а также результаты внедрения и дальнейших исследований отработанных на этом объекте новых технологических решений на ряде других шахт бассейна - в частности работы последнего периода на полях шахт "Сокурская" и им. Ленина. В качестве обобщения данного цикла работ приведены также общие результаты исследований в целом по Карагандинскому бассейну.

Первые испытания ГРП на п.ш. им. Костенко были проведены на скважинах №2-5. Промышленные испытания были проведены на

скважинах №8-11. Эффективность дегазации при ведении подготовительных работ по пласту К12 изменялась от 23,5 до 45%, при ведении очистных работ от 42 до 70%.

Значимость различий фактических показателей по максимальным и усредненным по длине шпура начальным скоростям газовыделения, выходу штыба, крепости, рабочей влажности, удельному газовыделению из разрушаемого угля, пористости, нормативному показателю выбросоопасности, оцененная по критерию Стьюдента, показала существенность изменения свойств и состояния угольного пласта в пределах зон гидрорасчленения. Так, вне зон влияния скважин ГРП показатель выбросоопасности к, выше критической величины, тогда как в зонах ГРП существенно меньше критического значения. Как объяснение этого достижения можно отметить существенное снижение в зонах ГРП максимальной начальной скорости газовыделения, удельного газовыделения из разрушаемого угля и увеличение пористости более чем в 2 раза.

Результатами промышленных испытаний на шахте им. Костенко и на ряде других шахт бассейна подтверждены теоретические положения о механизме процесса гидрорасчленения пласта и доказана в ряде случаев высокая технико-экономическая эффективность заблаговременной дегазации угленосной толщи. Установлено влияние горно-геологических условий на показатели процесса гидрорасчленения пласта. Разработаны принципы управления процессом. Подтверждена гипотеза о замещении (вытеснении) сорбированного углем метана водой и оттеснении и блокировании его в целиках, вмещающих породах. Исследованы гидродинамические характеристики скважин . Разработана и прошла проверку методика определения точных границ зон гидрорасчленения. После завершения промышленных испытаний способ гидродинамического воздействия был внедрен на шахте им. Костенко более чем на 30 скважинах. Обобщены показатели освоения и эксплуатации скважин ГРП. Необходимо отметить, что ряд скважин был предназначен для комплексной дегазации и не осваивался, что не могло не сказаться на дебитах скважин. Наиболее объективным показателем в этих условиях для оценки эффективности гидродинамического воздействия может считаться показатель повышения гидропроводности обработанного пласта в зоне ГРП. Повышение гидропроводности имело место на всех скважинах и составляло около двух порядков. На скважинах 829 вне зоны ГРП гидропроводность пласта изменялась от 0,17 до 1,43 Д-см/сп, в зоне ГРП - соответственно от 14,7 до 77,0.

Одним из основных недостатков способа ГРП является

существенное снижение фазовой проницаемости пласта для газа. На поле шахты им. Костенко была реализована одна из первых опытных работ по повышению фазовой проницаемости пласта путем пневмооттеснения как одной из разновидностей пневмогидровоздействия (111 В) на угольные пласты через скважины с поверхности. Результаты работ подтвердили перспективность данной технологии, однако было установлено, что для ее реализации необходимо применять более мощные компрессоры.

На поле шахты им. Костенко впервые были проведены испытания циклического гидрорасчленения с использованием газообразного азота. Для закачки в скважину газообразного азота с температурой 10-30°С используется газификационная установка АГУ — 8К. Установка транспортирует жидкий азот к скважине, газифицирует его в испарителе и подает в пласт. После того как в зону перфорации пласта н скважину закачают предусмотренное количество азота, установку отключают и по соответствующему трубопроводу начинают нагнетать воду в режиме гидрорасчленения с помощью агрегатов типа 1УН-630/700. После раскрытия основных систем трещин закачку проектных объемов воды ведут циклически — перед каждым циклом закачки воды нагнетают в пласт расчетное количество газообразного азота в соответствии с разработанной методикой.

Анализ результатов процесса освоения показал, что объемы порций в каждом цикле необходимо уменьшать, что и было учтено при внедрении способа на других шахтных полях бассейна, в частности на первой газодобывающей скважине № 1 Д (15) поля шахты им. Ленина, обработанной в 1997 г. Дальнейшая проверка метода интенсификации процесса освоения скважины гидрорасчленения путем закачивания в нее газообразного азота производилась на скважине № 41 поля шахты им. Костенко. В результате исследований было установлено повышение дебита скв. №35,41 в 2,5-3 раза по сравнению с соседними, обработаными по традиционной технологии ГРП. Полученные результаты испытания технологической схемы циклического гидрорасчленения с использованием газообразного азота подтвердили ее работоспособность и эффективность и позволили рекомендовать к внедрению на других шахтных полях Карагандинского бассейна.

В качестве объекта для шахтного эксперимента по расчленению с использованием сжиженного азота был выбран угольный пласт К,2 шахтного поля им. Костенко, вскрытый скв. №40, пробуренной с поверхности. Мощность пласта 8м, глубина залегания 580 м. Для захолаживания призабойной зоны было израсходовано 29 т сжиженного азота: были получены

положительные результаты по блокированию 1ой системы трещин и повышения дебита метана после воздействия. Дебит метана после повторного гидрорасчленения существенно возрос. Была подтверждена также возможность осуществления консервации льдом раскрытых трещин угольного пласта путем нагнетания в скважину сжиженного азота и доказана возможность раскрытия дополнительных систем трещин в угольном пласте в процессе повторного гидрорасчленения.

На шахтах Карагандинского бассейна гидрорасчленение угольных пластов во многих случаях использовалось на действующих горизонтах в сочетании с пластовыми скважинами (комплексная дегазация). Пласт К!2 западного крыла ш. им. Костенко отрабатывался с использованием этой схемы дегазации. Способ показал высокую эффективность (до 70%) и был принят как нормативный. Большой вклад в развитие и внедрение данного направления внесли Ш.У. Ахметбеков, Н.Х. Шарипов, Ю.С. Гуревич, П.П. Нефедов, H.H. Красюк и другие сотрудники МГГУ, КНИУИ, объединения.

На поле шахты им. Костенко испытания комплексного метода были проведены в зоне 16 скважин гидрорасчленения, пробуренных с поверхности (скв. ГРП №8-18, 21, 22, 27-29). Объем закачек рабочей жидкости изменялся от 1000 до 10 000 м3, темпы закачки от 50 до 90 л/с. На участках комплексной дегазации бурилось обычно 15-20 пластовых скважин с расстояниями между ними в среднем 10 - 12 м. Достаточно невысокий темп нагнетания воды в скважины ГРП и в ряде случаев уменьшенные до 1000 — 2000 м3 объемы закачки объясняются близостью горных выработок.

В результате гидрорасчленения угольных пластов произошло значительное увеличение их гидропроводности. Наибольший рост гидропроводности (до 90 раз) отмечен на поле шахты им. Костенко в зонах скважин NsKs 14-18, 20-29, характеризующихся пониженной проницаемостью угольного пласта. В среднем на экспериментальных участках гидропроводность была повышена в 35-40 раз.

Абсолютная эффективность комплексного метода воздействия по снижению газообильности очистных забоев составляет 50-70%. Рост эффективности по сравнению с традиционными методами составил 15-40%) при одновременном сокращении времени на подготовку выемочного участка с 2-3 лет до 1-1,5 лет. На участках внедрения достигнуты высокие нагрузки на очистные забои. Так, на шахте им. Костенко при работе лавы 42-Кп-1,2-3 достигнута нагрузка на каждый слой 1000 тонн в смену и более, т.е. была увеличена в 1,4 раза.

Для испытания дегазации разгруженного массива вертикальными скважинами на участках шахты им. Костенко было пробурено и подработано 17 скважин. Параметры заложения скважин и режим их эксплуатации варьировались в широких пределах. При этом ставилась цель обеспечения кондиционной (свыше 30%) концентрации метана в смеси и стабильности дебита. Было извлечено за 1,5 года 68,2 млн. м3 газа, что эквивалентно по теплотворной способности 20,5 тыс.т.угля.

Отработанная технология добычи кондиционной метановоздушной смеси была внедрена на 17 шахтах бассейна. Общее количество скважин составило более 200. Средняя концентрация метана - 46%, дебит метана до 470 тыс. м3 /мес, среднее время работы скважины - 7 мес. В том числе, на шахте им. Костенко дебит метана в среднем составил 5 м3 /мин, коэффициент эффективности дегазации - 30%, рост нагрузки на очистной забой - 27%. .

4. Разработка и натурные испытания технологических решений по управлению геомеханическими процессами

Исследованиям устойчивости очистных забоев в различных горнотехнических условиях посвящены работы A.A. Борисова, Е.П. Брагина, J1.H. Гапановича, Ю.В. Громова, В.А. Зуева, А.Д. Игнатьева, Г.А. Каткова, С.Т. Кузнецова, О.В.Михеева, Ю.Ф. Савенко, Е.И.Шемякина и других ученых. Установлены основные закономерности проявлений горного давления в лавах мощных пластов. Однако для разработки эффективных способов предотвращения отжима потребовалось проведение более детальных исследований геомеханического состояния массива.

С целью изучения явления отжима в комплексно-механизированных лавах проводились экспериментальные исследования нагрузок на крепь, величины и скорости смещения забоя и вмещающих пород. Визуальные наблюдения с анкетированием, инструментальные исследования проводились в 17 очистных забоях на шахтах имени Костенко и "Шахтинская" ПО "Карагандауголь" по пластам К2, К3, Кю, К12 и. Д, с механизированными комплексами КМ81Э, КМ130, KK-2743-0Z. ("Пиома") и ЗОКП70.

Результаты анкетного опроса и визуальные наблюдения показывают, что основными причинами, способствующими образованию вывалов кровли лавы, являются наличие геологических нарушений различного характера, зон повышенного опорного давления, взаимное влияние очистных забоев. Так, при

расстоянии между очистными забоями верхнего и нижнего слоев менее 30—35м в лаве верхнего слоя наблюдается повышенный отжим угля из забоя, что влечет за собой обрушение кровли. Негативно влияет также отсутствие непосредственной кровли соответствующей мощности.

Многие специалисты считают, что основным мероприятием по предотвращению или снижению отжима является применение механизированных крепей с высоким рабочим сопротивлением. Для проверки этого положения проведены специальные экспериментальные исследования. Результаты исследований показывают, что по верхнему слою на участках лавы, где отжим полностью отсутствовал, средний показатель давления в рабочей полости гидростоек крепи составлял 27,65 МПа, а на участках, где отжим угля проявлялся, — 31,08 МПа. По нижнему слою величины давления составляли соответственно 28,85 МПа и 32,37 МПа.

Таким образом, в обеих лавах проявление отжима связано не с понижением сопротивления механизированной крепи, а даже с некоторым его повышением, что можно объяснить, очевидно, увеличением бокового давления в пласте напротив секций с повышенным сопротивлением.

Инструментальное определение зон влияния технологических процессов на смещение пород показывает, что влияние выемки угля впереди комбайна распространяется в разных условиях на 30—45м, сзади комбайна на 35 - 40 м. Влияние передвижки крепи распространяется впереди крепи на 30-44м, сзади крепи на 35—42м. Максимальная величина конвергенции пород составляет 1,19—3,11 мм, а скорости конвергенции 0,18— 0,52 мм/мин.

Влияние производственных процессов на конвергенцию пород и нагружение крепи может проявляться в большей или меньшей степени в зависимости от технологической схемы выемки пласта. При использовании современных механизированных

комплексов значительное распространение получила односторонняя (уступная) схема.

Наблюдения за конвергенцией пород и нагружением крепи в очистных забоях показывают, что на устойчивость пласта и вмещающих пород форма забоя оказывает существенное влияние. Так, при движении комбайна в лаве 31- К2 -3 снизу вверх, когда забой имеет уступную форму, на линии наблюдения в течение всего времени замеров конвергенция пород за 25 мин составила около 0,2 мм при максимальной скорости 0,08 мм/мин. При движении комбайна сверху вниз по снятию уступа, после прохода линии наблюдения, когда забой стал вертикальным, конвергенция пород и скорость конвергенции за одинаковый период времени оказались

значительно выше (соответственно около 0,6 мм и 0,18 мм/мин).

Результаты замеров конвергенции пород в вертикальном и уступном забоях по пласту К)2 показывают, что при уступной форме забоя интенсивность конвергенции пород снижается по сравнению с вертикальным забоем на 22,4 %.

Проведены теоретические исследования напряженно-деформированного состояния горных пород в окрестности очистного забоя путем математического моделирования геомеханического состояния массива. Поскольку отжим пласта происходит со временем в результате ползучести и разрушения, в качестве физической модели массива должна использоваться реологическая модель, в частности, вязкоупругая.

Получены многофакторные зависимости отжима пласта и конвергенции забоя от упомянутых горнотехнических факторов, позволяющие прогнозировать устойчивость очистного забоя для обоснования применения мероприятий по предотвращению отжима пласта.

Предотвращение отжима угля в очистных забоях мощных пластов производится на практике приданием забою уступной формы и выемкой угля при этом по односторонней схеме. Проверочный расчет разрушения призабойной части пласта показал, что при наличии уступа разрушения забоя может и не происходить.

Анализ предельных состояний по критерию максимальных растягивающих главных напряжений также показывает, что разрушение участков пласта происходит не только непосредственно у контура забоя, но и в глубине массива, что подтверждает экспериментально установленное явление разрушения массива вокруг выработок (Е.И. Шемякин, М.В. Курленя, Г.Л. Фисенко и другие).

Решающим фактором при выборе рациональной величины уступа является разрушение забоя с образованием раскоски. Одним из способов, снижающим интенсивность отжима призабойной части пласта, является образование в забое разгрузочных щелей.

В задачу исследований по этому вопросу входило установление механизма влияния щели на напряженно-деформированное состояние забоя рационального места ее расположения и глубины щели. Исследования динамики разрушения забоя без щели и со щелью на разной высоте показали, что расположение щели у кровли на расстоянии (0,7 - 0,8) мощности пласта обеспечивает требуемый положительный эффект. Исходя из требований практики, глубину щели следует принимать в пределах (0,25 - 0,5) м, преимуществом такого параметра является технологичность. При большей глубине может замедляться подача

комбайна. Меньшая глубина щели не дает ожидаемого эффекта.

На основе результатов исследований разработаны параметры способа отработки мощного пласта с постоянной уступной формой забоя комбайном со шнеками разного захвата. Анализ работы лав показывает, что применение технологии с постоянным уступом приводит к значительному улучшению показателей. Уменьшаются простои лав из-за закладки куполов при обрушении пород непосредственной кровли. Снижается аварийность комбайнов, работа их становится более устойчивой. Улучшаются и основные технико-экономические показатели — среднесуточная нагрузка на очистной забой, месячная добыча, участковая себестоимость 1т угля.

По результатам моделирования технологической схемы выемочно-транспортного комплекса шахты им. Костенко для лавы 32-К2-В коэффициент готовности по горно-геологическим условиям повысился с 0,961 до 0,991, что привело к повышению ее производительности по данному фактору на 192 т/сут. В лаве 43К17-1-3 коэффициент готовности по горно-геологическим условиям увеличился с 0,976 до 0,992, а производительность повысилась на 50 т/сут.

Исследовался в работе и другой, региональный аспект управления геомеханическим состоянием углепородного массива, а именно при восходящем порядке отработки пластов в свите. Традиционным в Карагандинском бассейне является нисходящий порядок отработки пластов в свите. С углублением горных работ все более проявляются недостатки этого способа, в первую очередь -повышенное горное давление. Следует отметить, что пласт К12 на современных глубинах разработки является выбросоопасным, а К10 - неопасным. Переход на восходящий порядок отработки позволяет не только решить проблемы, связанные с управлением горным давлением при ведении горных работ, но и повысить технико-экономические показатели отработки за счет исключения мероприятий по предотвращению выбросов из технологического процесса. Результаты исследований при внедрении восходящего порядка отработки показали возможность снижения скорости конвергенции пород почвы и кровли по пласту К12 более чем в 5 раз.

Абсолютные величины не превышали 8-10 см, за 140-150 сут, за то же время в неподработанной зоне они достигали 40-50 см. Средняя скорость конвергенции в зоне подработки составила 0,2 мм/сут. Однако на эти показатели большое влияние оказывало время между подработкой и ведением горных работ по подработанному пласту. При проведении подготовительных выработок по пласту К|2 были практически ликвидированы вывалы пород. Перевод пласта в

категорию невыбросоопасного позволил отказаться от бурения опережающих скважин, в результате чего трудоемкость проведения была снижена более чем в 2 раза.

В результате подработки сближенного мощного высокогазоносного пласта значительно возрасла газообильность лавы по пласту Кю, достигая 50-60 м3/т и более. Отработаны схемы дегазации, обеспечивающие эффективность 60-70%. Основными способами на глубинах более 600 м являются скважины, пробуренные в купола обрушения из подземных выработок и извлечение метана газоотсасывающей установкой. Традиционные для бассейна способы: вертикальные скважины с поверхности и предварительная дегазация разрабатываемого пласта в этих условиях были уже неэффективны.

5. Внедрение комплекса гидродинамических и пневмогидродинамических воздействий на полях шахт Карагандинского бассейна

При переходе на восходящий порядок отработки также решались проблемы управления газовыделением при ведении горных работ по подработанным угольным пластам. Наиболее сложная газовая обстановка складывается при отработке первого пласта в свите - Кю (например, шахта «Стахановская»), Комплекс применяемых способов дегазации позволил достичь эффективности на уровне 60-70% и решить проблемы управления газовыделением при ведении очистных работ по пласту Кю. Восходящий порядок отработки пластов в свите позволил снять все газовые проблемы при последующей отработке пласта К!2 и перевести его в категорию невыбросоопасного.

Большое научное и практическое значение направления заблаговременной дегазации через скважины с поверхности потребовало проведения подробного анализа всех ранее выполненных работ в этой области. Карагандинский бассейн являлся одним из двух бассейнов бывшего СССР, где способ заблаговременного снижения газоносности угольных пластов путем их гидрорасчленения проходил опытно-промышленную проверку.

За все время исследований и внедрения этого способа в бассейне было пробурено и обработано более 120 скважин. Следует отметить, что существенная их часть была использована для интенсификации газовыделения пластовых скважин при реализации комплексного способа дегазации. Срок освоения скважин и извлечения через них метана не превышал 1-1,5 лет. При заблаговременной дегазационной подготовке срок эксплуатации

скважин должен составлять не менее 3 -4 лет. Этому критерию соответствуют всего четыре участка на двух шахтных полях, где было пробурено и обработано 36 скважин.

По горно-геологическим и технологическим условиям среди этих объектов следует выделить две группы: I - ш. им. Ленина (скв. № 1-14) и шахта "Сокурская" (скв. №98, 99, 8 и 1-3); П - на глубоких горизонтах ш. "Сокурская" (скв. № 12-27). Для первой группы глубина глубина залегания обрабатываемых пластов не превышает 450 — 480 м. Во второй группе глубина залегания пластов более 500 м, достигает 700-800м.

На объектах первой группы (глубина залегания до 500 м) были получены стабильные, положительные результаты. Так, на юго-западном крыле шахты "Сокурская" объем извлечения метана через скважины гидрорасчленения № 1 и № 2 составил соответственно 1,38 и 1,6 млн,м3. а съем составил 3,3 и 3,8 м3/т. Следует отметить, что из-за преобладавшей в то время тенденции к комплексному способу дегазации не обеспечивались максимальные сроки освоения скважин гидрорасчленения и в дальнейшем зоны некоторых из них были обурены пластовыми скважинами (скв. №№1, 2, 98).

С учетом извлечения пластовыми скважинами съем метана достигал 8-9 м3/т. На всех участках отмечено снижение газообильности подготовительных выработок. В зависимости от срока освоения скважин абсолютная газообильность выработок была снижена на 30 — 55%, скорость их проведения увеличилась в 1,5-2 раза и в среднем по зоне составляла 7 - 9 м/сут. Показатель выбросоопасности не превышал критического значения. Значительно выросла длина тупиковой части выработки. В восточном крыле ш. "Сокурская" в зонах скважин №8, 98, 99 впервые для данных горно-геологических условий было пройдено одним забоем более 400 м.

На объектах второй группы - глубоких горизонтах шахты "Сокурская" получены низкие результаты. Так, дебит большинства скважин был в 5 раз ниже дебита скважин на шахте им. Ленина, соответственно снизился и суммарный объем извлечения. Эти результаты явились одной из причин сокращения и затем временной приостановки работ в бассейне по данному направлению.

Необходимо отметить закономерность снижения эффективности дегазации с глубиной (рис.2). Однако решать эту проблему надо, так как более 800 млн.т угля в Карагандинском бассейне находится на глубинах 600 - 700 м . Как подтвердили в дальнейшем теоретические н лабораторные исследования, с увеличением глубины залегания пласта повышается скорость затекания трещин, которая зависит также от вида рабочего агента

Зависимость дебита скважин гидрорасчленения от глубины залегания пласта

Рис. 2

(жидкость или газ) и его состава. Для мощных пластов (5-6м) Промышленного и Саранского участков в зависимости от прочности угля критической глубиной, на которой происходит потеря устойчивости созданных во время воздействия трещин, является 500 — 550м.

Наглядным подтверждением интенсификации затекания образованных систем трещин с ростом глубины залегания пласта является увеличение самоизлива рабочей жидкости. Так на шахте им. Ленина при глубине залегания пласта Д6 360 - 440м величина самоизлива в среднем составляла 5%, в то время как на глубоких горизонтах шахты "Сокурская" при обработки пласта К|2 на глубине 580 - 660м эта величина уже составила 14%.

В ходе опытно-промышленной проверки способа заблаговременной дегазации угольных пластов на основе их гидрорасчленения кроме комплекса исследований по оценке эффективности способа по снижению газоносности и выбросоопасности угольного пласта были выполнены поисковые работы по совершенствованию технологии активного воздействия (пневмовоздействие, пневмогидровоздействие,

циклическое воздействие, расчленение с использованием сжиженного и газообразного азота и ряд других). Целью этих исследований являлось повышение эффективности воздействия, интенсификации освоения и газовыделения скважин, увеличение радиуса влияния и повышения равномерности обработки, что в конечном итоге позволит значительно повысить технико-экономические показатели способа и решить вопрос промысловой добычи метана. К настоящему времени отработаны технологии ряда воздействий, проведены исследования по оптимизации их параметров.

Эффективность пневмотеплового воздействия была подтверждена на поле шахты "Сокурская", скв. № 99. Дополнительный съем после закачки воздуха 500 тыс. м3 метана позволил отказаться от пластовой дегазации (рис. 3) и обеспечить существенное, по сравнению с соседними скважинами ГРП, снижение газовыделения при ведении подготовительных работ в зоне воздействия. Аналогично положительные результаты были получены на скв. №11 п. ш. им. Ленина, где дополнительно извлекли более 1 млн. м3 метана (рис.4).

Необходимо подчеркнуть, что все эти работы выполнялись для дегазации угольных пластов и снижения их выбросоопасности, т.е. целью являлось повышение безопасности ведения горных работ, а не добыча метана. Это налагало определенные требования к способу. Основным являлось обеспечение необходимой степени

Выкопировка из плана горных работ восточного крыла шахты "Сокурская"

Рис.5

Газоотдача из скважины №11 (ш. им. Ленина) после пневмотеплового воздействия

РисЛ

дегазации пласта в пределах всего участка. При проведении подготовительных выработок наблюдались повышенные газовыделения, связанные с пересечением выработкой основных систем трещин. Для улучшения условий проведения подготовительных выработок целесообразно расположение скважин гидрорасчленения не по центру выемочного столба, а с некоторым смещением в сторону ранее проводимой выработки. При этом срок эксплуатации скважин должен определяться не средним съемом по зоне обработки, а минимальным извлечением и допустимым газовыделением подготовительной выработки.

Снижение выбросоопасности было исследовано на поле шахты им. Ленина в зоне скв. ГРП №6 , из которой было извлечено около 3 млн. м3 метана. Изменение пористости угля, его газоносности, газообильности разведочного ходка и динамика газовыделенйя однозначно подтверждают снижение выбросоопасности пласта Дб, что было доказано при проведении подготовительных выработок (рис.5), где вне зон ГРП произошло более 100 газодинамических проявлений различной интенсивности, а в зоне ГРП отмечены лишь одиночные проявления на периферии зон обработки.

Более подробно следует остановиться на результатах, полученных при освоении 14 скважин на поле шахты им. Ленина. Обработка угольного пласта Д-, была проведена в 1982 -83 гг. рабочей жидкостью в режиме гидрорасчленения с добавками ПАВ (ДБ). Темп закачки рабочей жидкости составлял 80 -90 л/с. Общий объем закачки через одну скважину составлял около 5600 м3. Освоение скважин осуществлялось до 1991 г. За это время было извлечено более 18 млн. м3 метана при концентрации 95-99%, снижение газоносности пласта Дб в зонах гидрорасчленения составило от 6 до 9 м3/т запасов. Фактически эксплуатировалось 13 скважин, т.к. скважина № 14 была подрезана горными работами по пласту Д9.

Для условий шахты им. Ленина при среднем газовыделении скважины 0,5 м3/мин удельные приведенные затраты составляли 0,093 руб/'м3 (в ценах 1990 г.). При извлечении метана традиционными способами дегазации затраты на извлечение 1м3 метана составляли 0,04 -0,07руб/м3. С учетом того, что после заблаговременной дегазационной подготовки не требуется использования текущих способов дегазации, их затраты следует вычесть из издержек на освоение скважин. В этом случае удельные приведенные затраты составят не более 0,05 руб/м3. Последние работы на поле шахты им. Ленина показали возможность эффективной эксплуатации скважин в течение 14 лет, что

Выкопировка из плана г.работ на п.ш. Ленина в зоне скв. ГРП и ПГВ №№ М4.

существенно снизит эксплуатационные затраты.

Необходимо отметить, что целесообразность добычи метана должна определяться при сравнении приведенных затрат с замыкающими затратами на данное сырье в конкретном регионе. В 1990г. замыкающие затраты на газ для Карагандинского бассейна составляли 0,061 руб/м3, что позволяет говорить о потенциальной возможности и экономической состоятельности добычи метана из угольных пластов.

В 1996 г. была начата утилизация метана на обогревателе нового клетевого ствола шахты им. Ленина. Первоначально утилизировалась метановоздушная смесь, извлекаемая традиционными способами дегазации: пластовыми скважинами и скважинами из разгруженного массива. Однако из-за низкой концентрации метана, наиболее часто наблюдавшейся именно в периоды похолодания, эффективность работы обогревателя была недостаточной. Для обеспечения необходимой концентрации в утилизируемой смеси были подключены к ВНС скважины ГРП № 6 и № 7, суммарный дебит метана которых изменялся от 1,7 до 3,0 м3/мин при концентрации от 60 до 90%. Это позволило добиться стабильной концентрации газовой смеси на уровне 50% и полезно использовать извлекаемый метан (до 1 млн.м3 в отопительные сезоны 1996-97-98 гг.).

Заблаговременная дегазация позволила обеспечить подготовку угольного пласта одиночными выработками в зонах гидрорасчленения, в то время как вне зон подготовка осуществляется парными выработками (рис.5). Экономическая эффективность этих работ определялась следующими факторами:

1. Сокращением проведения на 2000 м парных бремсбергов по восточному крылу пл. Дб стоимостью около 3 млн. долларов.

2. Ростом добычи угля в зонах ГРП. Извлечение средствами дегазации 1 млн.м'' метана эквивалентно дополнительной добычи 22,5 тыс.т угля. Заблаговременный каптаж 18 млн. м3 газа обеспечивает прирост добычи 405 тыс.т, что даже при 25% вкладе дегазации прибыль составляет 3 млн. долларов. При этом не учтена ценность непосредственно извлеченного метана. Общие затраты на обработку и освоение 14 скважин ГРП в ценах 1997 г. составили 1 млн. долларов.

Следует отметить возможность значительного повышения технико-экономических показателей способа при переходе на добычу метана за счет:

- выбора мест заложения скважин в зонах повышенной газопроницаемости и газоотдачи;

- повышения эффективности активного воздействия за счет

совершенствования разработанных и применения новых технологий;

- повышения эффективности освоения скважин и интенсификации газовыделения за счет совершенствования технологии и оптимизации применяемого оборудования;

- переоборудования геологоразведочных скважин (экономия — 50%).

Применение уже существующих наработок позволяет снизить затраты на извлечение метана примерно на треть. В этом случае затраты становятся сопоставимыми с затратами по наиболее эффективным способам дегазации. Таким образом, опыт Карагандинского бассейна показывает высокую эффективность способа даже при достигнутых технико-экономических показателях. Основным недостатком является значительный (до 10 лет) срок окупаемости затрат. Поэтому на современном этапе работы по заблаговременной подготовке шахтных полей к безопасной и эффективной отработке могут проводиться в рамках программы развития шахт (подготовки горизонтов) за счет незначительной доли средств капитального строительства отдельными специализированными управлениями (участками).

Наиболее актуальной задачей современного этапа развития исследуемого научного направления является увеличение дебита скважин в 3-4 раза. Это позволит перейти от заблаговременной дегазационной подготовки к добыче угольного метана и обеспечить его полную самоокупаемость (без учета эффективности по горным работам). В направлении совершенствования способа в бассейне был выполнен комплекс исследований различных видов активного воздействия и технологических схем:

пневмообработка, циклическое гидропневмовоздействие,

расчленение с использованием сжиженного азота, кавернообразование, электровоздействие и ряд других. В ближайшее время планируется провести обработку с использованием горюче-окислительных составов, акустическое и термогазохимическое воздействия. Проведены подготовительные работы.

В настоящее время специалистами Караганды (угольный департамент, УСШМД, ИПКОН АН РК) с участием МГТУ разработан "Проект добычи метана в Шахтинском регионе" из 150 скважин с поверхности (рис.6), с обработкой угольных пластов по специальной технологии и с 1997 г. начата его реализация. Особое значение в рассмотренном вопросе имеет реализация добываемого метана. Проектом предусматривается несколько вариантов, в том числе:

ПЕРСПЕКТИВА ЗАПАСОВ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ГРП Hfl ШАХТАХ ШАХТШОГО РЕГИОНА С\Wl

Рис. 6

1. Использование метана на Карагандинском

металлургическом комбинате взамен пропана и мазута.

2. Метан можно использовать в качестве топлива для автотранспорта, что повлечет за собой некоторое увеличение затрат, связанных с необходимостью его сжижения.

3. Сжиженный или газообразный метан может быть использован для бытовых целей (Алаугаз) или в других отраслях тяжелой и легкой промышленности (кондитерская фабрика, ПО «Карбид», маргариновый завод, завод РГШО и др.).

Данный проект представлен и принят Акимом Карагандинской области. Реализация проекта рассматривается как одно из приоритетных направлений развития Карагандинского угольного бассейна.

Разработаны методические основы выбора способов и средств управления геомеханическим и газодинамическим состоянием углепородного массива. Разработаны принципы, обеспечивающие выбор оптимальных способов и средств управления геомеханическим и газодинамическим состоянием угленосной толщи с учетом горно-геологических и технико-технологических факторов, а также анализа коньюктуры рынка угля.

В настоящее время разработана программа и бизнес-план по извлечению и использованию в Карагандинском бассейне шахтного газа - метана, обеспечивающими экономическую и экологическую эффективность на 1998-2002 гг. Фактическая годовая экономическая эффективность только дегазационных работ по бассейну приведена в работе и составляет 8,3 млн. долларов США.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, являющейся квалификационной научной работой, изложены научно обоснованные технические и технологические решения по повышению технической безопасности горных работ на основе региональных методов управления геомеханическими и газодинамическими процессами в угольных шахтах, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в угольной промышленности.

Основные выводы по диссертации заключаются в следующем:

1. Эффективная реструктуризация угольной отрасли в новых экономических условиях должна предусматривать использование прогрессивных технологий управления газодинамическим и геомеханическим состоянием углепородного массива в целях минимизации негативных проявлений факторов природного

происхождения.

2. Разработаны методические основы принятия решений по комплексному развитию смежных шахт, предусматривающие анализ систем по индексу «старения», оптимизацию вентиляционных и транспортных сетей, топологии горных выработок и позволяющие увеличить срок службы и отрабатываемые запасы угля.

3. Разработана и реализована на шахтах Карагандинского бассейна концепция извлечения и использования угольного метана для обеспечения технической безопасности горных работ, повышения эффективности горного производства, решения энергетических проблем региона.

4. Доказано, что повышение уровня технической безопасности ведения горных работ, существенное улучшение технико-экономических и экологических показателей отработки запасов высокогазоносных угольных месторождений достигается на базе их комплексного освоения с использованием скважин, пробуренных с дневной поверхности.

5. Обоснована целесообразность осуществления на шахтных полях специальной стадии работ по заблаговременной дегазационной подготовке полей к эффективной и безопасной отработке запасов, которая проводится через переоборудованные геолого-разведочные или специальные инженерные скважины.

6. Разработана, испытана и внедрена усовершенствованная технология извлечения метана из низкопроницаемых, неразгруженных от горного давления угольных пластов, базирующаяся на реализации активных воздействий через скважины, пробуренные с земной поверхности.

7. Выполнен комплекс исследований, явившийся базой для усовершенствования и апробации вариантов технологий комплексной дегазации угольных пластов скважинами с поверхности и пластовыми скважинами, учитывающие технологические особенности заблаговременной дегазации и фактические параметры зон обработки.

8. Разработана методология конструирования единой технологической системы комплексной дегазации высокогазоносной угольной толщи, предусматривающей поэтапное извлечение и использование угольного метана.

9. Разработан и внедрен комплекс локальных и региональных мероприятий по управлению геомеханическими процессами при угледобыче прежде всего в части предотвращения отжима угля в призабойной части пласта, снижения конвергенции боковых пород в условиях подработки массива.

10. Экономически обоснованная добыча угольного метана

может обеспечиваться на основе применения усовершенствованных ранее применявшихся и принципиально новых технологических схем извлечения и использования метана

(термопневмогидродинамические воздействия с использованием воздуха, азота, криогенных жидкостей, воздействия в режиме кавитации, с использованием горюче-окислительных составов, электровоздействия и др.).

11. Разработаны принципы, обеспечивающие выбор рациональных способов и средств управления геомеханическим и газодинамическим состоянием угленосной толщи с учетом горногеологических и технологических факторов, а также коньюктуры рынка угля.

12. Подтверждена технико-экономическая эффективность разработанной технологии снижения газообильности горных выработок и выбросоопасности углепородного массива, обеспечиваемая комплексным учетом факторов технической безопасности горных работ, интенсификации угледобычи в зонах интенсивной дегазации и полезного использования угольного метана.

Основное содержание диссертации отражено в 35 научных работах:

1. Сластунов С.В., Презент Г.М. Исследование теплофизических свойств пласта К-12 Карагандинского угольного бассейна. ЦНИЭИуголь. - Добыча угля подземным способом, №5, 1981, с. 3-8.

2. Ножкин.Н.В., Презент Г.М. Совершенствование метода гидрорасчленения угольных пластов для борьбы с внезапными выбросами угля и газа. ВНТИЦ, сб. №7 реф., серия 08,1981.

3. Бурчаков A.C., Ножкин Н.В., Презент Г.М. и др. Комплексная дегазация с использованием паротеплового воздействия на шахте им.Костенко - М.: МГИ, 1984, -21 с.

4. Ножкин Н.В., Шарипов Н.Х., Презент Г.М., и др.Паспорт на ведение подготовительных и очистных работ в зоне скважин гидрорасчленения с использованием азота на поле шахты им Костенко- М.: МГИ, 1985,-19 с.

5. Ножкин Н.В., Шарипов Н.Х., Презент Г.М., и др. Паспорт на ведение подготовительных и очистных работ в зоне скважины

паротеплового воздействия на поле шахты им. Костенко - М.: МГИ, 1985,-18 с.

6. Швец И.А., Презент Г.М., Ножкин Н.В., и др. Методика экспериментальных работ на шахтах по совершенствованию метода гидрорасчленения с использованием азота - М.; МГИ, 1985,-28 с.

7. Баймухаметов С.К., Швец И.А., Презент Г.М., Ножкин Н.В. и др. Технологические решения по проведению гидрорасчленения с использованием сжиженного азота в целях заблаговременной дегазации угленосной толщи на шахтах им. Калинина и им. Костенко ПО "Карагандауголь" -М.: МГИ, 1986, -17 с.

8. Презент Г.М., Литвинов В.И., Бандельман В.Г, Опыт применения комбайна с разнозахватными шнеками для устранения отжима угля. ЦНИЭИуголь, Экспресс-информация - 1986, - 24 с.

9. Презент Г.М., Варыпаев В.В. Извлечение метана на поверхность с использованием воздействия на угольный пласт сжиженным азотом. Угол.пром. СССР реф. на картах, ЦНИЭИуголь, 1987, вып. 12, карта 398.

Ю.Ножкин Н.В., Сластунов C.B., Баймухаметов С.К„ Презент Г.М. и др. Технология комплексной дегазации с использованием гидравлического расчленения с использованием сжиженного азота и пластовых скважин на шахте им. Костенко - М.: МГЙ, 1987,- 15 с.

11..Презент Г.М., Литвинов В.И., Бандельман В.Г. Использование шнеков различной длины для устранения отжима угля в лаве. -Уголь, 1987, JN'a3, с. 13-18.

12. Гладких Н.И., Презент Г.М. Уступный способ отработки пласта комбайном с разнозахватными шнеками. Угольная пром. СССР. Реф. на картах / ЦНИЭИуголь, вып. 10, 1987.

13.Ножкин Н.В., Баймухаметов С.К., Швец И.А., Презент Г.М. и др. Технология комплексной дегазации с использованием гидравлического расчленения с использованием пороховых генераторов и пластовых скважин на западном крыле шахты им. Костенко - М.: МГИ, 1987, - 21 с.

14. Презент Г.М. Обоснование параметров уступного очистного забоя. Угольная пром. СССР. ЦНИЭИуголь, реф. на картах, вып. 12,1987.

15. Veksler, E.P.Bragin, S.A.Chesnokov, Present G.M. Breakage dace measurement and ways of improving coal seam stability. Proc. of the 2"nd Jutem. Symp. On Field Measarements in Geomecanics Kole Japan. C-9. April 1987. Ju. A., p. 12-18.

16.Векслер Ю.А., Сарафанов E,M., Презент Г.М. Расчет деформированного состояния уступного забоя лавы. Оптимизация технологии выемки полезных ископаемых. Сб. науч. тр. - Караганда: КарПТИ, 1988, с. 21-27.

17. Презент Г.М. Влияние технологических процессов на отжим угля в очистном забое. Технологические схемы разработки полезных ископаемых. - Караганда: КарПТИ, 1983, с. 42-45.

18.А.С. 1249160 СССР, А1Е21С 41/04. Способ отработки пласта. Векслер Ю.А., Литвинов В.И., Брагин Е.П., Презент Г.М. Б.И. №29, 1986.

19.Векслер Ю.А., Презент Г.М., Брагин Е.П. Уменьшение отжима угля в очистном забое. -М.: ЦНИЭИуголь, 1987, -15 с.

20.Ножкин Н.В., Сластунов C.B., Презент Г.М. Повышение безопасности горных работ путем заблаговременной дегазации угленосной толщи. Международная конференция, Острава, 2226. 1990 "Международная конференция по автоматизированному контролю в угольных шахтах", - с. 12.

21.Сластунов C.B., Презент Г.М., Управление газодинамическим состоянием угольного пласта через скважины с поверхности. Тезисы докладов УШ Всесоюзного Совещания "Управление вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах". -Новосибирск: СО АН СССР, 1991, - с. 16.

22.Ножкин Н.В., Сластунов C.B., Швец И.А., Презент Г.М. Значение аномальных давлений для добычи метана из угольных месторождений. Тезисы докладов на международной научной конференции "Аномальные давления в нефтегазоносных регионах" - С.-Петербург: ВНИГРИ, 1993, - с. 15.

23.Сластунов C.B., Швец И.А., Презент Г.М., Коликов К.С. Проблемы геоэкологии при разработке угольных месторождений. Тезисы докладов на международном симпозиуме по проблемам геоэкологии, горной науки и производства, С.-Петербург, С-ПбГИ, 1994, - с.24.

24.Баймухаметов С.К., Швец И.А., Презент Г.М., Горбунов С.М. и др. Проведение опытно-экспериментальных работ по добыче метана на поле шахты им. Ленина ГП "Карагандашахтуголь" с использованием циклического пневмогидродинамического воздействия. - М.; изд. МГТУ, 1994, - 17 с.

25.Презент Г.М., Баймухаметов С.К., Швец И.А. Технология управления газодинамическими и геомеханическими процессами в угольных шахтах. - Караганда, 1994, - 117 с.

26.Нефедов П.П., Дрижд H.A., Квон С.С., Презент Г.М., Перзадаев М.А. Технология разработки сложных и некондиционных пластов Карагандинского бассейна. - Караганда, 1995, - 331 с.

27.Швец И.А., Презент Г.М., Коликов К.С. Совершенствование скважинной технологии для решения вопросов безопасности горных работ и окружающей среды. Тезисы докладов на Международном симпозиуме "Бурение скважин в осложненных условиях". С-ПбГИ, 1995, - с. 19.

28. Сластунов C.B., Швец И.А., Презент Г.М., Горбунов С.М. Опытно-экспериментальные работы по добыче метана на поле шахты им. Ленина по комплексной технологии МГГУ и ВНИПИвзрывгеофизика. - М.: изд. МГГУ, 1995, - 21 с.

29. Королева В.Н., Презент Г.М. Экотехнологические проблемы разработки угольных месторождений. Тезисы докладов на 1-ой международной конференции "Среда, технология, ресурсы", -Резекне, 1997, - с. 24.

30.Баймухаметов С.К., Швец И.А., Презент Г.М. и др. Дегазация угольных месторождений через скважины с поверхности и добыча метана с использованием пневмогидровоздействия. Тезисы докладов на международном симпозиуме "Интергаз-97", Алабама, 1997, -с. 102.

31.Швец И.А., Презент Г.М., Горбунов С.М. и др. Заблаговременная дегазация шахтных полей Карагандинского бассейна с использованием активных воздействий с поверхности. -М: ГИАБ, 1997. №6, - с. 38-43.

32. Презент Г.М., Баймухаметов С.К., Швец И.А. и др. Заблаговременная дегазация шахтных полей и добыча угольного метана через скважины с поверхности. - Уголь, 1997, №10, - с. 41-44.

33.Презент Г.М., Квон С.С., Роот Э.Г., Алиев С.Б. Вскрытие и разработка угольных пластов Карагандинского бассейна на глубоких горизонтах. Караганда, 1998, - 278 с.

34.Мукхерджи М., Презент Г.М. Основные принципы совершенствования технологических схем разработки угольных пластов на глубоких горизонтах шахт угольного департамента АО «Испат-Кармет». Труды международной научной конференции «Научно-технический прогресс - основа развития рыночной экономики». Караганда, 1997,-с. 113-115.

35.Презент Г.М., Нефедов П.П. Проблемы комплексного развития смежных шахт при вскрытии и подготовке глубоких горизонтов. Труды международной научной конференции «Научно-технический прогресс - основа развития рыночной экономики». Караганда, 1997,-с. 116-119.

А,/ /

у ОС, /

УГОЛЬНЫЙ ДЕПАРТАМЕНТ АО "ИСПАТ-КАРМЕТ" РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Министерство общего и профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ГОРНЫХ РАБОТ НА ОСНОВЕ РЕГИОНАЛЬНЫХ МЕЪ »^ОВ УПРАВЛЕНИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИМИ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ

Российской Федерации

На правах рукописи

ПРЕЗЕНТ Григорий Михайлович

УДК 622.831.325.3 (574.31)

......

Специальность -05.26.04 "Промышленная

безопасность"

ДИССЕРТАЦИЯ На соискание ученой степени доктора технических наук

Караганда-Москва - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ....................-.............-.....................5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ .. 19

1.1. Обоснование необходимости обеспечения интенсификации

угледобычи в решении проблем реструктуризации Карагандинского угольного бассейна в переходный период.................-..........22

1.2. Анализ способов активного воздействия на угольные пласты............40

1.3. Исследования газоносного угольного пласта как объекта активных

воздействий................-..................................- SO

1.4. Обзор исследования явления отжима пласта в очистных забоях—.......77

1.5. Методические основы выбора способов и средств управления геомеханическим и газодинамическим состоянием углепородного массива при реструктуризации угольной отрасли................... —95

2. МЕХАНИЗМ И ТЕОРИЯ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ УГЛЕНОСНОГО МАССИВА.......................118

2.1. Нагнетание текучих в режиме фильтрации........ -.................118

2.2. Нагнетание текучих в режиме гидрорасчленения___•..................129

2.3. Пневмогидровоздействие на угольный пласт ....................... Л 36

2.4. Тепловое воздействие на угольный пласт ...........................£43

2.5. Циклическое гидровоздействие с использованием газообразного азота.. .149

2.6. Криогенная технология с использованием сжиженных газов...........153

2.7. Комплексный метод дегазации с использованием вертикальных и

пластовых скважин — ..................................................159

2.8. Дегазация разгруженного массива вертикальными скважинами.........16?

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО- ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ОЧИСТНОГО

ЗАБОЯ...............................................Га

3.1 Методика исследований........................................- • 175

3.2 Исследование влияния основных горно-технических факторов на напряженно-деформированное состояние массива вокруг очистного

забоя.........................................................I7i

о 2 3 s

3.3 Исследование напряженно-деформированного состояния массива горных пород вокруг' очистного забоя уступной формы..........----179

3.4 Исследования напряженно-деформированного состояния очистного забоя с разгрузочной щелью................ — «..........• • 191

4. НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ГО УПРАВЛЕНИЮ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ НА

ПОЛЕ ШАХШИМ.КОСТЕНКО................................201

4.1. Испытания гидродинамических воздействий на пласт............... 201.

4.2. . Испытание пневмовоздействия на пласт .......................... 222

4.3. Испытание циклического гидрорасчленения с использованием газообразного азота......................................

4.4. Испытание криогенной технологии с использованием сжиженных газов 238

о

4.5. Испытания комплексного метода дегазации с использованием вертикальных и пластовых скважин...............................................244

4.6. Испытания дегазации разгруженного массива вертикальными скважинами ......... — ......................................— ......... 248

5. НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО УПРАВЛЕНИЮ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ .........250

5.1. Методика исследований ..____...____.......____........----... 250

5.2. Анализ данных анкетного опроса по устойчивости очистного забоя.... 252

5.3. Влияние механизированной крепи, технологии работ и формы забоя на отжим пласта и конвергецию пород...___......................... 256

5.4. Результаты внедрения технологии выемки с постоянным уступом..... 263

5.4.1. Технология выемки с постоянным уступом.. — . — .............- 263

5.4.2. Результаты апробации уступного способа борьбы с отжимом при отработке пластов К12 и К2 ...................... — ............ 269

6. ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО УПРАВЛЕНИЮ СОСТОЯНИЕМ УГЛЕГАЗОНОСНОГО МАССИВА НА ШАХТАХ

' КАРАГАНДИНСКОГО БАССЕЙНА.............................2л

~ А-

6.1 Внедрение комплекса гидродинамических и

пневмогидродинамических воздействий на доле шахты им .Ленина----.271

6.2 Оценка эффективности заблаговременной дегазации по снижению

газообильности и выбросоопасности пластов......................277

6.3 Анализ результатов дегазации с углублением работ.................305

6.4 Методика выбора способов управления газодинамическим состоянием угольных пластов.............................................316

7. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ УГОЛЬНОГО РЕГИОНА И

УТИЛИЗАЦИЯ ШАХТНОГО МЕТАНА.........................320

7.1. Принципы конструирования эффективных технологических схем

добычи метана с учетом его утилизации .........................320

7.2. Использование метана...................;...................... 327

о

7.3. Утилизация метана на шахтах Карагандинского бассейна........... .329

7.4. Повышение эффективности утилизации угольного метана на основе

аккумуляции в зонах гидрорасчленения.......................... 338

7.5. Снижение пылеобразования угля при гидродинамическом воздействии

на пласт.......................................—..........345

8. ДОБЫЧА УГОЛЬНОГО МЕТАНА..............................349

8.1. Постановка проблемы.........................................349

8.2. Технологические решения проблемы на поле шахты им.Ленина —.. .352

9. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМИ И

ГЕОМЕХАНИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ В ШАХТАХ..............- - 375

9.1. Экономическая эффективность и область применения методов

управления газодинамическим состоянием .......................375

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................-388

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.................391

ПРИЛОЖЕНИЕ. 1 ............................................406

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.....:.....................................407

ВВЕДЕНИЕ

Шахты Карагандинского угольного бассейна, представленные 26 техническими единицами, 15 из которых в настоящее время входят в УД АО "Испат-Кармет", по основным технико-экономическим показателям занимают одно из ведущих мест в угольной отрасли СНГ. В настоящее время шахтный фонд бассейна имеет примерную проектную мощность около 48,0 млн/г в год. Топливно-энергетический комплекс несмотря на снижение конкурентной способности угольной отрасли продолжает играть ключевую

о ''

роль в развитие экономики Казахстана. Угольная промышленность, являющаяся одной из базовых отраслей промышленности, имеет ряд особенностей, резко проявившихся в период перехода экономики республики к рыночным отношениям. С одной5 стороны, уголь и ценные продукты еф переработки являются жизненно необходимыми для народного хозяйства и населения, с другой, подземная добыча угля отличается значительной капиталоемкостью, внедрение новых технологий и технических средств, равно и окупаемость их, на шахтах требуют значительных периодов времени, что создает дополнительные сложности в новых условиях хозяйствования.

Снижение напряженности в работе угольной отрасли возможно только на основе разработки и реализации быстродействующих технологических и организационно-экономических мероприятий, способных стабилизировать деятельность горных предприятий, и обеспечить рост уровня показателей их работы в ближайшем будущем.

Имеющийся в отрасли огромный научный и производственный потенциал был создан на базе результатов исследований выполненых ИГД им. А. А.Скочинского, ИПКОН РАН, МГТУ, ИГД НАН Казахстана, ИГД СО РАН, КНИУИ (Каз НИИуголь), ВНИМИ, ДонУГИ, МакНИИ, ВостНИИ, ИУ СО РАН, СПГИ(ТУ) и др. Созданный потенциал не потерял своего ведущего значения и в современных условиях.

У спешная адаптация производственных систем к рыночным требованиям возможна лишь при объективном учете особенностей проявлений газодинамических и геомеханических процессов в широком диапазоне условий разработки угольных месторождений. Удорожание горной техники и оборудования повышает себестоимость ошибок при принятии технологических решений. Принятие обоснованных решений может обеспечить эффективность организационно-экономических преобразований на различных уровнях структуры отрасли.

Таким образом, разработка научно-обоснованных технологических решений при разработке угольных месторождений с учетом специфики проявлений газодинамических и геомеханических процессов в угольных шахтах вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в отрасли, составляет основу актуальной научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение. с

Проблема безопасного и эффективного ведения горных работ на газоносных угольных шахтах сформировалась много десятилетий назад, но особенно обострилась в последнее время в связи с углублением шахт и интенсификацией производственных процессов, при этом резко возросла природная газоносность разрабатываемых угольных пластов и вмещающих пород и, соответственно, газообильность шахт.

В настоящее время технико-экономические показатели работы газовых шахт на 35-50% ниже, чем негазовых шахт в аналогичных горногеологических условиях. Доля затрат на управление газовыделением (вентиляция и дегазация) в себестоимости добычи угля достигает 25%. Из шахт Карагандинского бассейна выделяется свыше 1 млрд.м3 метана в год, а утилизируется только несколько процентов от этого кол/ичества, что наносит большой ущерб окружающей среде.

Ресурсы метана в угольных месторождениях в пересчете на условное топливо занимают третье-четвертое место среди запасов горючих

ископаемых на земном шаре после угля, нефти и природного газа и составляют 70-100 трлн.м3. В странах СНГ ресурсы метана равны 58-77трлн.м3, промыпшенные - 9,8 трлн.м3.

Величина максимальной природной метаноносности угольных пластов в странах СНГ составляет для углей: длиннопламенных и газовых - 8-15 м7т, коксующихся, жирных - 16-28 м /т, тощих и антрацитов - 20-35 м /т. Метан, содержащийся в угольных месторождениях, может рассматриваться как дополнительное энергетическое сырье.

Извлечение метана угольных месторождений позволит решить

с

одновременно несколько задач: использовать извлеченный метан для выработки электроэнергии, тепла и т.п.; уменьшить выбросы метана в атмосферу; снизить объем выделения метана в горные выработки и, тем

о -

самым, повысить безопасность и эффективное^ добычи угля.

Научно-технические аспекты проблемы заключаются в установлении закономерностей газодинамических процессов, протекающих в углепородном массиве угольных месторождений и создании технологий и технических средств управления ими при извлечении метана для промышленного использования и повышения безопасности добычи угля.

Добыча угля подземным способом в Карагандинском угольном бассейне составляет около 50%. При отработке мощных газоносных пластов возникают серьезные трудности, связанные с геомеханическими процессами, в частности, при работе высокопроизводительных очистных забоев из-за интенсивных проявлений отжима угля. Это прежде всего уменьшение устойчивости забоя, вывалы из пласта и непосредственной кровли, приводящие к простоям лав во время ликвидации аварий и снижающие их надежность и уровень безопасности работ.

Уменьшение устойчивости зпбоя при разработке высокогазоносных пластов повышает вероятность развязывания внезапных выбросов угля и газа. Газодинамические явления - особая область, где в равной мере

необходимо учитывать как геомеханические, так газодинамические процессы, проистекающие в углегазоносном массиве при ведении горных работ.

Развитие подземной разработки угольных месторождений неразрывно связанно с повышением концентрации и ин тенсификацией ведения горных работ. В условиях Карагандинского бассейна, где размеры шахтных полей невелики, несмотря на пологое залегание пластов, углубление горных работ происходит с более высокими темпами. Переход на большие глубины сопровождается ухудшением условий ведения горных работ - усиливаются проявления горного давления, увеличивается газообильность горных выработок за счет роста газоносности пластов. В настоящее время только на трех шахтах бассейна относительная газообильность составляет 10 м7т су точной добыгафз],Многие шахты при глубинах разработки свыше 400-500 м отнесены к опасным по выбросам угля и газа.

Всо это выдвигает необходимость проведения мероприятий, позволяющих эффективно готовить угольный пласт к эксплуатации. Из перспективных направлений наиболее полно могут отвечать поставленным задачам способы активного воздействия, кардинально изменяющие свойства и состояние угленосного массива / 3,32,45,68/. В качестве одного из них может применяться способ гидродинамического воздействия через скважины: с поверхности, предложенный и впервые испытанный в Карагандинском бассейне И.В.Ножкиным. В тоже время применение данного способа во многих случаях и особенно с ростом глубины не позволяет достаточно эффективно решать весь комплекс поставленных газодинамических задач. Кроме того, эффективность управления состоянием угленосной толщи уменьшается с глубиной из-за снижения устойчивости, а следовательно, и проницаемости систем трещин. Актуальность решения проблемы эффективного управления газодинамическим состоянием массива и улучшения технико-экономических показателей ведения горных работ на

болыиих глубинах в Карагандинском бассейне связана еще и с тем, что основные запасы углей находятся на глубинах 400-600 м и ниже.

Как было указано, интенсивное развитие и концентрация горных работ в определенных горно-геологических и горнотехнических условиях ограничиваются газовыделениями, пылеобразованием, внезапными выбросами угля, пород и газа, самовозгоранием угля, которые усложняют и удорожают производство и являются главными опасностями для горнорабочих. Источниками и местом проявления их являются угольные пласты и вмещающие их породы. Тщательное изучение закономерностей упомянутых явлений и разработка научно обоснованных путей борьбы с ними являются актуальной и крупной проблемой горной технологии.

Технические возможности созданых и внедренных добычных и

о

проходческих комплексов в значительной мере недоиспользуются из-за все возрастающего газовыделения и необходимости соблюдения жестких норм проветривания угольных шахт. Производительность добычных комплексов, оборудованных гидравлическими крепями, способными обеспечить добычу в забое более 5000 т/сутки, ограничивается по газовому фактору; при увеличении метанообильности до 30 м3/т их производительность может составить не более 400 - 600 т/сутки.

Вместе с тем эффективность используемых мер по борьбе с метаном и пылью, несмотря на развитие научных исследований и практических мероприятий на шахтах, позволяет снизить газообильность и запыленность атмосферы в среднем соответственно не более чем на 30-50%.

Изложенное позволяет утверждать, что угленосная толща, как коллектор газа и пыли, является объектом исследований, направленных на предотвращение основных опасностей в шахтах, путем создания и внедрения новых физико-технических, физико-химических и комплексных методов воздействия. Добиться существенного повышения эффективности и безопасности угледобычи возможно на основе использования региональных

методов управления свойствами и состоянием массивов угольных месторождений.

Проблема имеет еще один важный аспект. В угольных пластах и вмещающих их породах заключены огромные запасы ценнейшего углеводородного сырья - практически чистого метана. Извлеченный из недр до ведения горных работ метан используется и в дальнейшем будет использоваться не только как топливный ресурс, но и в качестве химико-технологического сырья. Последнее позволяет решить еще один актуальный вопрос горного производства - обеспечение экологически чистой комплексной безотходной технологии угледобычи.

В диссертационной работе автор обобщает комплексный цикл исследований выполненных под его руководством, при его участии или

о

лично, в том числе: ;

по исследованиям технологии гидродинамического воздействия на поле шахты им. Костенко в ходе экспериментальных работ и проведении опытно-промышленных испытаний;

по разработке новых технологических схем и их испытаниях на поле шахты им. Костенко по пневмогидровоздействию в режиме пневмоотгеснения, циклическому гидрорасчленению с использованием газообразного азота, криогенной технологии с использованием сжиженного газа;

по исследованиям эффективности разработанных технологий активных воздействий на пласт по снижению газообильности горных выработок и выбросоопасности пласта Дб на поле шахты им. Ленина;

по внедрению результатов проведенных поисковых работ по разработке новых методов заблаговременной дегазации неразгруженных пластов и добыче угольного метана на поле шахты им .Ленина;

по внедрению и исследованиям на поле шахты им. Костенко комплексной дег�