автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Технология обработки газообильных участков шахтных полей с рациональным сочетанием дегазации и инертных сред

г Г и од

На правах рукописи

КОСЬМИНОВ Евгений Алексеевич

УДК 622.272:622.831

ТЕХНОЛОГИЯ ОТРАБОТКИ ГАЗООБИЛЬНЫХ УЧАСТКОВ ШАХТНЫХ ПОЛЕЙ С РАЦИОНАЛЬНЫМ СОЧЕТАНИЕМ ДЕГАЗАЦИИ И ИНЕРТНЫХ СРЕД

Специальность 05.15.02 — «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в АО УК «Ленинскуголь» и Московском государственном горном университете.

Научный руководитель докт. техн. наук, проф. КРАСЮК Н. Н.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. СТАРИКОВ А. В., канд. техн. наук, доцент ПАВЛЕНКО М. В.

Ведущее предприятие — АО УК «Кузнецкуголь».

1 ! /

Защита диссертации состоится « . . . » 1998 г.

в ... час. на заседании диссертационного совета К-053.12.02 Московского государственного горного универси-теста по адресу: 117935, ГСП, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «/Р. » . ^ . . . . 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

канд. техн. наук, доц. КОРОЛЕВА В. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Современное состояние угольной отрасли России и определившиеся тенденции ее развития сопровождаются коренными структурными, технологическими и техническими преобразованиями на всех производственных уровнях, включая горнодобывающие предприятия. Производственно-хозяйственная деятельность угольных шахт основывается на рыночных экономических отношениях и формируется .ю критериям . сбалансированного объема добычи и переработки угля для получения высококачественной, пользующейся спросом угольной продукции. В связи с этим шахтами пересмотрены перспективные планы развития горных работ с учетом превалирования экономических критериев.

Сущность этих преобразований заключается в резком сокращении объема проводимых и поддерживаемых горных выработок, концентрации эксплуатационных работ на пластах с благоприятными горно-геологическими условиями и запасами высококачественных углей. Переход на отработку участков шахтных полей с кондиционной мощностью пластов, малой нарушенностыо, легкоупраь ¡яемыми вмещающими породами обусловлено также переоснащением горных предприятий на высокопроизводительную дорогостоящую горнодобывающую технику, требующую соответствующей эксплуатационной отдачи.

Анализ горно-геологических условий шахт Кузбасса, отрабатывающих пологие и наклонные угольные пласты, показал, что развитие горных работ по новым программам и оснащение их высокопроизводительной проходческо" и добычной техникой зачастую сопровождается возникновением на шахтах локальных участков с повышенным газовыделением. В соответствии с готовыми к реализации паспортами на отработку выемочных участков, оснащенных комплексами очистного оборудования с технической производительностью до 7500 т/сут, на таких участках фактическая добыча угля составит не более 2000-2500 т/сут в основном из-за ограничений по газовому фактору. По шахтам Ленинского района Кузбасса в настоящее вре.чя темпы проведения горных выработок на газоносных пластах ниже на 28-35%, нагрузка на очистной забой - на

30-45%, производительность труда - на 22-35%, себестоимость добычи угля выше на 25-30%.

В Кузбассе, и особенно в Центральном его районе, применяется широкий спектр методов и технологий управления метановыделением в шахтах.- При этом с ростом глубины отмечается снижение эффективности дегазации в целом по региону и сворачивание работ по дегазации. Например, на глубинах свыше 400 м практически не дают эффекта барьерные скважины при проходке, пластовые скважины и вертикальные скважины в купола обрушения при очистной выемке. Применение фланговых скважин большого диаметра дало положительный эффект, но в новых горно-геологических и горнотехнических условиях проблему метана в должной мере не решает.

Итак, при отработке участков шахтных полей с повышенным газовыделением, на долю которых в Ленинском районе Кузбасса приходится до 65% промышленных запасов угля, в настоящее время практически не решены задачи управления метановыделением при проходке и нет достаточно эффективных способов управления -- метановыделением на выемочных участках. Требуются поиск и освоение новых, нетрадиционных решений, обеспечивающих безопасную и эффективную подготовку и отработку выемочных участков высокопроизводительной техникой с технико-экономическими показателями работы, обеспечивающими требуемые современными экономическими условиями уровень рентабельности и конкурентоспособности производства.

В связи с изложенным научная задача создания технологии отработки газообильных участков шахтных полей с рациональным сочетанием дегазации и инертных сред, обеспечивающих эффективное управление метановыделением и требуемый уровень технико-. экономических показателей добычи угля, является актуальной для угольной отрасли.

Цель работы - установление . зависимостей изменения структуры газового баланса выемочного участка при развитии горных работ в производстве и во времени для разработки технологии отработки участков шахтных полей с повышенным метановыделением, обеспечивающей требуемый уровень технико-экономических показателей добычи угля и безопасность горных работ.

Идея работы заключается в использовании рационального сочетания дегазации и работы в инертных средах, параметры которого определяются пространственно-временными координатами смежных выемочных участков.

Основные научные положения, разработанные соискателем, и их новизна:

1. Развитие во времени и пространстве подготовительных и очистных работ на газообильном участке шахтного поля сопровождается существенным изменением структуры газового баланса выем чных участков, требующем обязательного учета при управлении метановыделением.

2. На глубинах свыше 400 м для условий Центрального района Кузбасса необходимая эффективность дегазации разрабатываемого пласта достигается применением способа гидродинамического воздействия через скважины с поверхности, параметры которого учитывают особенности фильтрационных и коллекторских свойств угленосной толщи.

3. При достижении по мере развития горных работ доли газовыделения из сближенных пластов и выработанного пространства 60-65% отработка запасов газообильного участка шахтг то поля должна осуществляться в изолированном от общешахтной атмосферы пространстве, заполненном инертной газовой средой.

4. Эффективная и безопасная технология подготовки и отработки газоносного выемочного участка формируется с учетом возможностей управления метановыделением с рациональным сочетанием дегазации на базе гидродинамического воздействия через скважины и последующей отработки выемочного участка в инертной газовой среде.

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

достаточным объемом экспериментальных исследований влияния динамики структуры газового баланса выемочного участка при развитии подготовительных и очистных работ на технико-экономические показатели добычи угля и уровень безопасности горных работ;

результатами лабораторных исследований фильтрационных и коллекторских свойств углей, обосновывающих технологию гидродинамического воздействия на угольные пласты для их заблаговременной дегазации;

положительными результатами апробации технологических решений на шахтах.

Значение работы. Научное значение работы заключается в установлении зависимостей изменения структуры газового баланса выемочных участков при развитии горных работ во времени и пространстве, которые ■ используются при формировании технологических решений по эффективной и безопасной подготовке и отработке участков шахтного поля с повышенным метановыделением.

Практическое значение работы заключается в разработке технологических решений по подготовке и отработке выемочных участков с повышенным газовыделением, обеспечивающих высокие технико-экономические показатели добычи угля и безопасность горных работ.

Реализация работы. Технология подготовки и отработки газообильных участков шахтных полей с рациональным сочетанием дегазации и инертных сред использована в «Рекомендациях по техническому и технологическому перевооружению шахт в условиях перехода к рыночной экономике, утвержденных ОАО компания «Росуголь»; при составлении программы развития горных работ в Южной прирезке поля шахты «Комсомолец» АООТ «Ленинскуголь»; при составлении проекта на заблаговременную дегазацию пластов «Толмачевский», «Бреевский» и «Емельяновский» на поле шахты «Комсомолец»; при разработке технической документации на комплекс технических средств технологии горных работ в инертной газовой среде, утвержденных НТС ОАО УК «Ленинскуголь».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и были одобрены на научно-технических советах ОАО УК «Ленинскуголь» (г. Ленинск-Кузнецкий, 1996-1997), научных симпозиумах «Неделя горняка» в МГГУ (Москва, 1995-1997), научных семинарах кафедры «Технология, механизация и организация подземной добычи угля» МГГУ (Москва^ 1996-1997).

Публикации. По теме диссертации опубликовано одно учебное пособие и три научных статьи.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 14 / страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц, рисунок, список литературы из 86 наименований и приложения.

Автор выражает глубокую благодарность коллективам ученых и специалистов ОАО УК «Ленинскуголь», шахт «Комсомолец» и «Октябрьская», кафедры «Технология, механизация и организация подземной разработки угля» Московского государственного горного университета за оказанную методическую поддержку и помощь при выполнении исследований и внедрении результатов в производство.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Проблема эффективной и безопасной отработки газоносных угольных месторождений достаточно полно и надежно решается на основе результатов исследований Айруни А.Т., Бурчакова A.C., Баймухаметова С.К., Васючкова Ю.Ф., Егорова П.В., Красюка H.H., Матвиенко Н.Г., Малышева Ю.Н., Мазикина В.П., Ножкина Н.В., Пучкова Л.А., Сластунова C.B., Сергеева И.В., Ушакова КЗ., Ярунина С.А.

Достигнутые научные и практические результаты позволяли до недавнего времени считать управление метановыделением вспомогательным процессом при ведении горных рабс.-т. При обоснованном, правильном выборе технологии дегазации метановыделение практически не ограничивает интенсивность ведения горных работ.

Однако, начиная с 1993-94 гг. проявились последствия изменения экономической ситуации в угольной отрасли. Обретя самостоятельность, угольные предприятия существенно изменили прежние программы развития горных работ, зачастую без увязки со смежными шахтами, оказывающими ощутимое влияние друг на друга. На примере шахт АО «Ленинскуголь» доказано, что такая обстановка сопровождается изменением горно-геологических условий отработки действующих горизонтов шахт. Для обеспечения выемки высококачественного угля из пластов кондиционной мощности горные предприятия осуществляют переход на отработку более глубоких горизонтов, снижают объемы подготовительных работ и тем самым подготовленных к выемке запасов угля за счет искусственного сокращения поддерживаем х горных выработок.

Переход на работу в более благоприятных условиях и оснащение горных работ высокопроизводительной техникой обеспечили

существенное снижение количества очистных забоев при росте нагрузки на лаву.

При практическом сохранении вентиляционных сетей шахт и снижении эффективности дегазации с ростом глубины горных работ фактор метановыделения стал существенно ограничивать интенсивность отработки. запасов газоносных угольных пластов и снижать уровень безопасности угольного производства.

Попытки наращивания на шахтах объема дегазационных работ в новых горно-геологических, горнотехнических и экономических условиях не получили поддержки из-за низкой эффективности. В связи с этим было принято решение рассматривать управление метановыделением как один из основных процессов технологии подготовки и отработки запасов газоносных угольных пластов. Для реализации такого направления повышения эффективности и безопасности горных работ на газоносных угольных пластах в соответствии с поставленной целью в диссертации решались следующие задачи:

- определение комплекса горно-геологических и горнотехнических факторов, формирующих повышенную газообильность участков шахтных полей, и обоснование необходимости учета динамики структуры газового баланса при управлении метановыделением на таких участках;

- разработка методических принципов формирования технологии подготовки и отработки газообильных участков шахтных полей с учетом динамики структуры их газового баланса;

- исследование влияния развития подготовительных и очистных работ на газообильном участке шахтного поля на динамику структуры газового баланса последовательно отрабатываемых выемочных участков;

- исследование фильтрационных и коллекторских характеристик угольных пластов и обоснование требований к технологии дегазации разрабатываемых пластов с использованием гидродинамического воздействия через скважины, пробуренные с поверхности;

- исследование газодинамического состояния выемочных участков при их отработке в изолированном от общешахтной атмосферы пространстве, заполненном инертной метановой средой;

- обоснование технологической схемы и разработка методики определения параметров гидродинамического воздействия на угольные пласты для их заблаговременной дегазации;

- разработка комплекса технических и технологических решений по отработке выемочного участка в изолированной от общешахтной атмосферы инертной среде;

- разработка методики формирования технологии отработки газообильных участков шахтного поля с рациональным сочетанием дегазации и инертных сред и конструирование схем их вскрытия и подготовки;

- апробация технологии для условий шахты «Комсомолец» АО «Ленинскуголь» и оценка экономического эффекта.

Для обеспечения такого подхода и определения возможных направлений его решения нами выполнен анализ статистических данных по отработке запасов угольных пластов в широком диапазоне газообильности зон горных работ. Были установлены три характерных диапазона газообильности, определяющих эффективный метод управления метановыделением.. В диапазоне 0-12 м3/мин снижается нагрузка на лаву и производительность ч-руда по добыче угля на 810%, возрастает объем выбросов в атмосферу метана и пыа, на 25%, себестоимость добычи угля возрастает на 12%. Управление метановыделением в этом диапазоне может быть осуществлено средствами вентиляции.

В диапазоне 13-24 м3/мин для управления метановыделением требуется использование вентиляции в сочетании с дегазацией. При этом отмечается дальнейшее ухудшение технико-экономических показателей добычи угля и уровня безопасности угледобычи.

При газообильности выемочного у тетка свыше 24 м3/мин газовый фактор является определяющим в снижении показателей добычи угля. Нами предлагается применение нетрадиционной технологии отработки выемочных участков с ведением горных работ в изолированном от общешахтной атмосферы пространстве, заполненном инертной метановой средой. При реализации указанной технологии нагрузка на лаву, производительность труда и выбросы вредных веществ в атмосферу соответствуют фактическим показателям негазовых шахт, а себестоимость добытого угля даже снижается за счет планомерной утилизации метана, извлекаемого из изолированного пространства выемочного участка.

Изложенный подход был использован при обосновании принципов формирования технологии отработки газообильных'участков шахтных полей с рациональным сочетанием различных способов управления метановыделением в зависимости от структуры газового баланса участка, изменяющейся в ходе развития горных работ.

На основе анализа статистических данных по газодинамическому состоянию выемочных участков шахт, отрабатывающих свиты газоносных угольных пластов, нами установлено, что нормативная методика расчета метанообильности по природной газоносности пластов имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что в указанном расчете не учитывается динамика газового баланса в процессе отработки выемочного поля, определяющая динамику разгрузки массива. Поэтому при подаче на участок расчетного расхода воздуха, соответствующего прогнозной газообильности, на первом этапе отработки столба имеется существенный резерв воздуха, а на последнем этапе (при отработанной части столба более 500-600 м) расчетный расход воздуха ниже требуемого и наблюдаются частые загазирования выработок. Аналогичным образом динамика газового баланса и изменение газообильности участков, связаны с порядком отработки столбов в выемочном поле, что приводит к несоответствию расчетных расходов воздуха и фактической потребности в нем. Следовательно, эффективное управление метановыделением на газообильных участках шахтного поля может быть осуществлено с учетом динамики фактической газробильности и структуры газового баланса участка. ,

В рассматриваемых горно-геологических условиях Центрального Кузбасса газообильность выемочного участка превышает 12 м3/мин, следовательно, возможно сочетание вентиляции, дегазации и инертных сред.

С учетом изложенного разработаны принципы формирования эффективной и безопасной технологии отработки газообильных участков шахтных полей, сущность которых заключается в следующем: на основе анализа горно-геологических условий и планируемых показателей отработки запасов разрабатывается программа развития горных работ на участке шахтного поля; с учетом "чнамики структуры газового баланса составляется планограмма применения дегазации и инертных сред; • обосновываются параметры дегазации и технологии горных работ в инертной, среде, а

также технология извлечения метана для утилизации. На основе этих материалов формируется комплексная схема подготовки и отработки газообильного участка шахтного поля.

Для реализации предложенной методики были выполнены исследования динамики структуры газового баланса при развитии горных работ на шахтах ОАО УК «Ленинскуголь». Исследования выполнены на 18 выемочных участках 4 шахт. Детальные исследования динамики структуры газового баланса при развитии горных работ на участке шахтного поля с повышенным метановыделе ием выполнен.при отработке пласта «Бреевский» на шахте «Комсомолец».

На рис. 1 представлены результаты исследований, суть которых заключается в следующем - при развитии горных работ на участке шахтного поля прирост доли выработанного пространства в газовом балансе каждого последующего столба для исследуемых условий в среднем составляет 5-10%, а для лавы, отрабатываемой в целиках, доля газовыделения из выработанного пространства несколько ниже, чем в лаве, отрабатываемой в границах «старое выработанное пространство - массив». Увеличение доли выработанного пространства в зависимости от положения лавы в выемочном поле об) словлено увеличением объема выработанного пространства, следовательно, и объема разгруженного газонасыщенного горного массива.

Исследования, проведенные на шахтах им. Кирова, им. 7-го Ноября, «Октябрьская» и «Комсомолец», применяющих одни и те же системы разработки, показали, что с увеличением глубины залегания пластов, отрабатываемых в нисходящем порядке, доля газовыделения из выработанных пространств увеличивается (см. рис. 1).

В результате выполненных исследований установлены зависимости структуры газового баланса участков при развитии горных работ в пространстве и во времени для различных горногеологических и горнотехнических условий.

При бесцеликовой системе разработки:

с применением газоотсоса через фланговую скважину и дегазация выработанного пространства скважинами с поверхности

пВп = Ь«. = 1 _ еХр[- (1,67 + 0,00082ЬВп)];

без учета дегазации выработанного пространства

п вп. %

901 ■

1-лааа 1709{в целиках);

2-лава 1719(целих-выработанное пространство); П ВП, % З-лава 1719(с учетом дегазации);

100 -

" 200 400 600 600 1000^1200140016001800 2000 "

200 400 600 800 1000 1200

с учетом дегазации выработанного пространства

■1рп, •'ш,

м3/мин

Пвп,

12.10

--,--г ,-,-,-,-,-

200 4 00 600 800 1 00012001400160016002000 Примечание: Столб 2 отработан без дегазации

80- • Пвп о

70-

60- —•

50- • / О /\IaiL

4030- / Jpп _/ ■--

го- О

• 10- Н, К

100 200 300 400

' 'ис. £ Зависимость доли газовыделения из выработанного пространства от объеиа разгруженного горного массива

то же, но без применения дегазации выработанного пространства

пВп = Ьг. = 1 _ ехрГ- (0,65 + 0,0017LBn )|;

I0 L " J

при оставлении межлавных целиков

пВп = ^ = 1 - expf- (1,35 + 0,0007L„n)];

lg

при отработке участка с целиками без применения газоотсоса и дегазации с поверхности

п,в =Ьа. = 1- еХр[- (0,47 + 0,0011LBn)]; ' nBn = 1-ехр(- 0,004Нср);

пвщ = Пвп, -N,;

Nj = 1 + (i - 1) ехр[- (2,5 + 0,05i + 0,002LBn)],

где Ьвп - длина выработанного пространства, м;

Нср - глубина горных работ, м;

i - порядковый номер выемочного участка.

Полученные зависимости дают возможность достаточно точно определить динамику газового баланса участка на различных стадиях разгрузки горного массива.

Таким образом, установленные зависимости и разработанная методика позволяют прогнозировать изменение структуры газового баланса по мере развития горных работ на газообильном участке шахтного поля и формировать оптимальную программу развития горных работ с эффективным управлением метановыделением.

Для реализации технологии горных работ в изолированном от общешахтной атмосферы пространстве, заполненном инертной метановой средой, изучены процессы загазирования и разгазирования выработок выемочного участка.

Отработка выемочного участка в инертной газовой среде осуществляется с применением столбовой системы разработки и

изолированного от общешахтной атмосферы объема конвейерного и вентиляционного штреков и очистного забоя. Процессы загазирования и разгазирования этого объема с учетом его размеров, рассредоточенности и нестационарности источников метановыделения потребовали специальных , исследований. Основная предпосылка управления инертной метановой средой заключается в том, что загазирование . и разгазирование участка производятся при остановленном очистном забое. При этом газовый баланс выемочного участка формируется в основном за счет выделения метана из сближенных пластов и выработанных пространств. При изолировании выработок выемочного участка от общешахтной атмосферы движение метана происходит под воздействием перепада, а также в результате диффузионных и конвективных процессов. Изучение процесса создания инертной метановой среды производилось методом учета газовых балансов выработок участка с последующим сравнением полученных результатов с теоретическими данными, полученными в ходе математического моделирования процесса уравнениями диффузии метана вдоль выработок. На основе исследований нами установлено, что переходные газодинамические процессы завершаются в течение 10-15 часов, что вполне вписывается в существующий график организации работ на выемочном участке, они экономически и технически обоснованы.

На первом этапе отработки газообильного участка шахтного поля для эффективного ведения подготовительных и очистных работ необходимо заблаговременно дегазировать разрабатываемый пласт. Опыт применения гидродинамического воздействия на угольные пласты в режиме гидрорасчленения на шахтных полях Донецкого и Карагандинского угольных бассейнов показал, что эффективность воздействия, кроме горнотехнических условий, существенно зависит от фильтрационных свойств угля в массиве • горных пород. Попытки гидроразрыва угольных пластов через подземные скважины на поле шахты «Октябрьская» ОАО УК «Ленинскуголь» эффекта не дали. На глубине 320 м при мощности пологого пласта «Полысаевский-2» 3,2 м и давлении нагнетания 32,0 МПа приемистость пласта практически была равна нулю. В то же время в аналогичных условиях шахт Карагандинского бассейна процесс гидрорасчленения эффективно развивался при давлении уже свыше 16,0 МПа. В связи с изложенным для определения рациональной технологии и параметров обработки

угольных пластов Центрального Кузбасса в режиме гидрорасчленения нами выполнен комплекс исследований по установлению параметров, характеризующих фильтрационные и коллекторские свойства угольных пластов. Исследования выполнены совместно с учеными МГГУ (г.Москва), ВНИИГРИ (г. Санкт-Петербург) на установках института ВНИИГРИ и интерпретированы согласно рекомендациям ВНИИГРИ. Было отобрано по пять образцов угля по пластам «Ёреевский», «Емельяновский» и «Толмачевский» в дренажном уклоне № 173 при изменении глубины горных работ от 370 до 535 м. Результаты исследований представлены в табл. 1.

Визуальные наблюдения трещиноватости на шлифах показали наличие ярковыраженной основнох! системы открытых трещин. Наблюдаются также второстепенные системы трещин с хорошим раскрытием, заполненных минеральными включениями. В целом следует отметить очень низкую трещинную пористость и проницаемость углей с одной развитой системой открытых трещин.

В дальнейшем методом насыщения была определена открытая пористость (по 2-3 анализа на каждый образец) и рассчитана воздухопроницаемость углей, а затем по воздухопроницаемости определена фазовая проницаемость углей для разных газов. Фазовая проницаемость азота к метана определялась по отношению к фазовой проницаемости по воздуху на основе сравнения' вязкостей газов. Из данных табл. 1 следует, что угли пластов «Бреевский», «Толмачевский» и «Емельяновский» на исследуемом участке отличаются низкой проницаемостью в естественных условиях. Проницаемость образцов практически не зависит от давления обжатия. В углях прослеживается явно выраженная одна система открытых трещин, второстепенная система заполнена минеральными включениями. Полученные результаты поставили специфические требования к обоснованию технологии и параметров гидродинамического воздействия на угольные пласты.

По результатам лабораторных исследований образцов углей, а также некоторому практическому опыту гидродинамического воздействия на угольные пласты нами определены особенности углей Центрального района Кузбасса, которые необходимо учитывать при разработке технологии их гидрорасчленения: °

Таблица 1

Характеристики пористости, трещиповатости и проницаемости углей на

экспериментальном участке

Наименование пласта Номер образца, (глубина) Плотность открытых трещин, 1/м Трещинная пористость, % Трещинная проницаемость, 10'3 мкм2 Открытая пористость, кпр, мд-ю-3 Робяс. 20+200 атм

воздух азот метан Кпр, мд-ю-3

«Бреевский» 1(374) 45 0 05 5 2,02 13,2 12,75 18,4 11,24-12,1

2(389) • 47 0,05 5 1,98 13,5 12,97 18,9

• 3(408) 32 0,04 4 1,87 12,1 11,67 17,02

' 4(447) 20 0,03 3 2,00 14,0 13,44 19,6

5(462) 20 0,03 3 2,20 16,8 16,13 23,5

«Толмачевский» 1(435) 32 0,04 3 1,44 6,93 6,65 9,7 9,4-9,5

2(444) 30 0,04 3 1,82 11,54 11,04 16,1

3(472) 31 0,04 3 1,77 10,85 10,42 15,2

4(506) 27 0,04 3 1,86 12,49 12,0 17,49

5(518) 29 0,04 3 1,50 7,5 7,2 10,5

«Емельяновский» 1(448) 38 0,04 3 1,32 5,6 5,38 7,84 7,74-8,4

2(462) 40 0,04 3 1,88 15,2 14,6 21,28

3(481) 28 0,03 2 1,-72 1С, 03 9,63 14,04

4(519) 27 0,03 2 1,68 9,76 9,37 13,66

5(535) 19 0,02 2 1,45 6,7 6,43 9,38

- угли обладают крайне низкой проницаемостью и пористостью в естественных условиях (в 2-3 раза ниже аналогичных условий Карагандинского бассейна);

- проницаемость углей практически не зависит от давления обжатия;

- в углях прослеживается явно выраженная, с небольшим раскрытием, основная система трещин, второстепенная система заполнена минеральными включениями;

- процесс раскрытия трещин начинается при существенно повышенных давлениях.

С учетом изложенного методические основы обоснования технологии и параметров гидрорасчленения низкопроницаемых угольных пластов заключаются в следующем (рис. 2).

Для раскрытия (практически разрыва) основной системы трещин осуществляется выход на режим гидроразрыва (Т^ и нагнетания воды с расходом qrp. При этом давлении гидровоздействие растет до значения ягр и в момент (Т2) происходит раскрытие основной системы трещин, сопровождающееся спадом давления. После этого расход рабочей жидкости снижается до значения дгрп для предотвращения развития нескольких крупных трещин и перехода гидроразрыва в режим гидрорасчлене-.ия. В период (Т2-Т3) в скважину подается химически активный агент. При этом раскрываются более мелкие трещины, ветвящиеся от основной системы трещин, а также происходят разрыв и растворение минерального заполнения второстепенной системы трещин. После завершения процесса гидрорасчленения на первой стадии и заполнения раскрытых трещин водой, а также создания начальных полостей во второстепенной системе трещин, снова увеличивается расход рабочей жидкости до значения qrp и в период (Т3-Т4) закачивается вода. После раскрытия следующей системы трещин (момент Т4) расход рабочей жидкости снижается до значения ягрш осуществляется закачка химически активного агента в период (Т4-Т5), производится расчленение мелких трещин и размыв минерального заполнения следующей системы трещин. В момент времени (Тк) после закачки проектного объема рабочей жидкости процесс гидродинамического воздействия завершается. 0

Исходя из предложенной методики определению подлежат следующие параметры гидродинамического воздействия:

q, л/с

Ti Тг __Ii_Ts_Tj TÍ

1 Пласт qrp, л/с qrpn, л/с Ргр, л/с Ргрп, л/с Кэф, и Qa, и3 П, циклов

i "Бреевский" 1 "Толмачевский" 1 "Емельяновский" 54,0 51,0 44,0 32,0 30,0 26,0 23,8 29,7 30,6 14,0 17,5' 16,0 110,0 106,0 96,0 7268 4767 3290 Не менее трех

Рис. ¿S Динамика параметров гидрорасчленения низкопроиицаемых угольных пластов

Чгр> Ргр - расход рабочей жидкости и давление гидроразрыва основной и второстепенной систем трещин;

. Чгрп. Ргрп ~ расход рабочей жидкости и давление гидрорасчленения ветвящихся мелких трещин;

<Зпр - объем закачки рабочей жидкости;

пц, Тц - количество циклов обработки и их продолжительность.

Количественные значения этих параметров для условий угольных пластов Южной прирезки шахты «Комсомолец» представлены на рис. 2.

По мере развития горных работ на участке шахтного поля с высокой угленасыщенностью возрастает объем разгруженного горного массива, структура газового баланса изменяется в сторону увеличения доли выработанного пространства. Наступает момент, когда средствами вентиляции и дегазации нормативный газовый режим в действующих выработках шахты не может быть достигнут.

Снять значительные ограничения интенсивности горных работ по газовому фактору возможно применением отработки высокогазоносных угольных пластов автоматизированными комплексами горношахтного оборудования в инертной газовой среде. Структура производственных процессов технологии представлена на рис. 3.

На основе выполненных исследований нами разработана методика формирования технологии отработки газообильных участков шахтных полей с рациональным сочетанием дегазации и инертных сред (рис. 4).

Сущность методики заключается в том, что управление метановыделением входит составной частью в процесс развития горных работ на газообильном участке шахтного поля. Заблаговременная дегазация, ведение подготовительных и очистных работ в дегазируемой зоне, постепенный переход на работу в инертной газовой среде, утилизация избыточного метана составляют этапы реализации разрабатываемой технологии.

Апробация результатов работы осуществлена для условий Южной прирезки поля шахты «Комсомолец». В пределах прирезки шахта отрабатывает пласты «Бреевский», «Толмачевский» и «Емельяновский». При первоочередной отработке пласта «Бреевский» осуществляется подработка свиты вышележащих' пластов общей мощностью 11,6 м. Газообильность выемочного участка лавы 1726

Проведение комплекса подготовительных и нарезных выработок, сооружение камер, _возведение перемычек и бурение скважин_

Доставка, монтаж, наладка и опробывание оборудования и системы управления технологическими процессами

Комплекс очистного и проходческого оборудования Комплекс оборудоааииа шлюзования добытой горной массы, материалов и людей Системы дистанционного и автоматизированного контроля и управления технологическими процессами и диагностикой

Комплекс транспортных средств для выдачи горной массы, доставки оборудования и материалов, перемещения людей Коуплекс оборудования для создания и управления инертной газовой средой в зоне горных и транспортных работ

Герметизация эксплуатационного блока, обеспечение проветривания вспомогательных выработок

Создание инертной газовой среды

Подача инертного газа в

рабочее пространство эксплуатационного блока из подземных коллекторов, наземных источников

Обеспечение постоянного движения инертной среды с заданными скоростями и ее эффективное перемешивание по температурному фактору и составу газа

Контроль ''параметров инертной

среды, ее движения и перемешивания, поддержание параметров в допустимых пределах

Ведение эксплуатационных работ в блоке )

Подготовительные и очистные работы

Транспорт

Безлюдная агрегатная технология очистной выемки угля, проходки, возведения бетонной полосы

Профилактические работы в метановой среде

Осмотр, ремонт, наладка оборудования Изменение режима работы агрегатов

инертном среде

Через шлюзы

В нормальной рудничной среде

Управление инертной средой

Контроль атмосферы в блоке

Увеличение подачи газа в блок из внешни* источников

Отвод нэбыточного, газа из блока

Изменение интенсивности горных работ

I Планово-профилактический ремонт

Планово-предупредительный ремонт и замена отдельных деталей горного оборудования

Профилактика дистанционной и автоматизированной системы контроля, управления и . диагностики

Экстренное разгазироваяие эксплуатационного блока в аварийной ситуации и ликвидация аварии

Попутная добыча метана

Создание коллекторов газа |Система отбора газа из коллектора} Утилизация метана

Разгруженный массив Старые отработанные блоки -сжигание в топках котлов -топлива для передвижных электростанций

Система накопления газа в коллекторе

Газоподготовка и контроль качественных характеристик

Рис, 3 Структура технологии горных работ в инертной газовой среде (эксплуатационный блок)

То 1 2 Тп 3 4 5

1уч - газообильность участка; 1вп,1пл - газообильность выработанного

пространства и пласта.

I. Проведение выработок 1В-1К

2. Отработка ■ лавы 1

3. Проведение выработок 2В-2К

4. Отработка лавы 2

5. Проведение выработок ЗВ-ЗК

6. Отработка лавы 3

7. Отработка лавы 3 а инертной среде

8. Проведение выработок 4В-4К =г=я

5. Отбор метана для утилизации

Рис. Н Плаиограниа подготовки и отработки газообимного участка шахтнот поля

прогнозируется в среднем на уровне 11,2 м3/мин и последующей лавы 1725 - 19,2 м3/мин.

С учетом развития горных работ на вышележащих запасах шахты им. 7-го Ноября, возможностей проветривания выработок Южной прирезки и полученных в настоящей работе результатов нами разработана схема подготовки и отработки запасов пласта «Бреевский» (рис. 5).

Горные работы начинаются на участке лав 1725-1726, на котором запланировано провести опытно-промышленные испытания технологии управления метановыделением с рациональным сочетанием дегазации с использованием гидрорасчленения и инертных сред. В соответ твии с разработанной проектной документацией пробурены и оборудованы две скважины - ГРП-1 и ГРП-2. Выбор месторасположения этих скважин был ограничен развитием горных работ на шахте им. 7-го Ноября. Первоочередно отрабатывается лава 1726, которая будет работать в зоне и вне зоны гидрорасчленений. При этом будет оценена фактическая эффективность дегазации подготовительных и очистных работ. Лава 1725 оснащается всем специализированным оборудованием для работы в инертной газовой среде, техническая документация на которое разработана и утверждена в установленном порядке.

На участке лав 1725-1726 осуществляется определение работоспособности и фактической эффективности разработанных технологических решений по отработке особогазообильных участков шахтного поля.

При развитии горных работ на участке лав 1730 и последующих до границы шахтного поля осуществляется дегазация первого выемочного столба (л. 1730) .-и части второго - (л. 1731) гидрорасчленением.

По прогнозу метанообильности переход на работу в инертной среде происходит на участке 700-800 м подвигания лавы 1731. Последующие 6 столбов будут отработаны в инертной среде и после сокращения глубины горных работ до 260 м (л. 1738) - в проветриваемой среде.

Нами, осуществлена оценка экономической эффективности от реализации результатов работы, которая формируется за счет, следующих факторов:

- снижения объемов проведения подготовительных выработок за счет их проходки только одним забоем;

- увеличения нагрузки на очистной забой за счет снятия ограничений интенсивности работ по газовому фактору.

На участках опытно-промышленных испытаний технологии (лавы 1725-1726) объем проведения горных выработок снизится на 2500 м, нагрузка на лаву увеличится на 17,0%. Экономический эффект составит 9,2 млрд. руб.

На участке лав 1730-1738 объем проходки снизится на 9,2 км, нагрузка на лаву возрастет на 22,0%.

Экономический эффект, рассчитанный по действующей методике в ценах 1997 г. составит 119,0 млрд. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной для угольной отрасли задачи создания технологии отработки высокогазообильных участков шахтных полей на основе рационального сочетания дегазации и инертных сред, обеспечивающей эффективное управление метановыделением и высокий уровень технико-экономических показателей добычи угля.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации сводятся к следующему:

1. Установлено, что сокращение протяженности горных выработок и числа одновременно разрабатываемых угольных пластов . с переходом на отработку пластов кондиционной мощности с высоким качее-вом угля и применением восходящего или смешанного порядка отработки пластов в свите сопровождается значительным и быстрым увеличением глубины ведения горных, работ и газоносности разрабатываемых пластов. В. сочетании с применением высокопроизводительной техники указанные факторы формируют повышенное газовыделение, управление которым с целью эффективной и безопасной отработки выемочных участков требует использования нетрадиционных подходов.

2. Доказано, что эффективная и безопасная технология отработки выемочного участка с абсолютным газовыделением свыше 12 м3/мин должна формироваться на _ базе рационального сочетания заблаговременной дегазации угольных пластов с инертными средами и с учетом динамики газового баланса при развитии горных работ во времени и пространстве на участке шахтного поля. Разработаны методические принципы формирования эффективной и безопасной технологии подготовки и отработки газообильных выемочных участков в пределах части шахтного поля.

3. Установлены зависимости изменения газообильности участка и структуры его газового баланса при развитии горных работ во времени, учитывающие динамику объема (площади и высоты) разгружаемого газонасыщенного горного массива, его аэродинамического сопротивления, а также применяемые технологии управления газовыделением и показатели их эффективности.

4. Доказано, что фильтрационные и коллекторские характеристики углей Центрального Кузбасса, определяющие параметры технологии гидродинамического воздействия на угольные пласты с целью их заблаговременной дегазации, резко отличаются от аналогичных условий Карагандинского бассейна. Угольные пласты имеют две явно в граженные системы трещин, из которых второстепенная система заполнена минеральными включениями. Трещинная пористость и проницаемость углей в 2-3 раза, а фазовая проницаемость для метана на порядок ниже Карагандинского угля. Проницаемость углей практически не зависит от давления обжатия.

5. Обоснована технологическая схема и параметры гидродинамического воздействия на кизкопроницаемые угольные пласты для их заблаговременной дегазации, предусматривающая чередование режимов гидроразрыва и гидрорасчленения с использованием химически активных рабочих агентов для растворения минерального заполнения природных трещин.

6. Предложены основные технологические решения по созданию и управлению инертной метановой средой в изолированных от общешахтной атмосферы действующих горных выработках участка, обеспечивающие инертизацию газовой среды при остановленном очистном забое за 8-15 час с достижением требуемого уровня концентрации метана и разгазирование участка за 5-8 час. При работе

очистного забоя с нагрузкой 700 т в сутки для целей утилизации возможно извлечение до 20 м3/мин газа метана.

7. Обоснованы технические требования и разработана техническая документация на специальные технические средства для оснащения выемочного участка, отрабатываемого в изолированной инертной среде (шлюзы непрерывного и дискретного действия, комплекс бокс-баз, систему автоматизированного и дистанционного управления технологией).

8. Осуществлена апробация разработанной технологии для условий Южной прирезки поля шахты «Комсомолец» ОАО УК «Ленинскуголь», включающая разработку проектной документации, бурение скважи.. с поверхности, подготовку опытного участка.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Косьминов Е.А. Энергосберегающая технология подготовки свиты высокогазоносных угольных пластов к интенсивной отработке. - М.: МГГУ, ГИАБ, № 6, 1997, с. 140-146.

2. Красюк H.H., Косьминов Е.А., Коликов К.С. Технология промышленного извлечения метана угольных месторождений.. - М.: МГГУ, ГИАБ, № 3, 1995, с. 71-80.

3. Косьминов Е.А., Ремезов A.B., Ордин A.A., Клишин В.И. Автоматизированный поиск рентабельной производительности комплексно-механизированного очистного забоя. - М.: Уголь, № 10, 1997, с. 25-28.

4. Пучков Л.А., Красюк H.H., "Косьминов Е.А., Ксенофонтов С.И., Коликов К.С., Казаков В.Б. Технология отработки газообильных учретков шахтных полей с добычей и утилизацией метана. - М.: МГГУ, 1995. 122 с.

Подписано в печать 0i.04,1998 г. Объём I печ.л. Тиран ЮС экз

.'.осковсього государственно, о горнего университета. Ленински г; проспект, 6

¡ормаг 60x90/16 Заказ JS ^/i