автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.04, диссертация на тему:Заблаговременное снижение суфляроопасности пластов путем управляющих воздействий через скважины с поверхности



На правах рукописи ШИЛОВ Анатолий Алексеевич

УДК 622.831.325.3(043.3)

ЗАБЛАГОВРЕМЕННОЕ СНИЖЕНИЕ СУФЛЯРООПАСНОСТН ПЛАСТОВ ПУТЕМ УПРАВЛЯЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ЧЕРЕЗ СКВАЖИНЫ С ПОВЕРХНОСТИ

Специальность 05.26.04 — «Промышленная безопасность»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1997

Диссертационная работа выполнена в Московском государственном горном университете.

Научные руководители: докт. техн. наук, проф. 110 Ж К11 НИ. В.|, докт. техн. наук, проф. СЛАСТУНОВ С. В.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. КРАСЮК. Н. Н., канд. техн. паук, с. н. с. ЗАБУРДЯЕВ В. С.

Ведущее предприятие: ПечорНИИпроекг.

Зашита диссертации состоится 30 октября 1997 г. в 13 час. па заседании диссертационного совета К-053.12.02 в Московском государственном горном университете по адресу: 117935, ГСП, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 30 сентября 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

канд. техн. наук, доц. КОРОЛЕВА В. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Дкгпуздьноаяь работ.

Современное состояние подземной разработки угольных пластов Донецкого бассейна характеризуется ростом общего числа и плотности суфлярных выделений.

Суфляроопасность горных выработок является одним из главных факторов, препятствующих увеличению нагрузки на очистной забой, повышению темпов подготовки и отработки выемочных полей, обеспечению безопасных условий труда шахтёров. В настоящее время дебиты суфлярных выделений в шахтах Донбасса колеблятся от нескольких десятых до десятков кубических метров в минуту. В зависимости от горно-геологических и горнотехнических условий на шахтах применяются различные меры и способы борьбы с суфлярами. Основным мероприятием на шахтах является каптаж суфлярного газа дегазационными скважинами из подземных горных выработок.

Перспективным способом борьбы с суфлярными выделениями может являться способ заблаговременной дегазации угленосной толщи. Данный способ лишён многих недостатков применяемых в настоящее время способов предотвращения суфляровыделений и в определённых условиях является единственным экономически обоснованным.

Для эффектиного проведения работ по заблаговременному снижению суфляроопасности угольных пластов путём управляющих инженерных воздействий через специальные скважины с поверхности в первую очередь необходимо решить задачу по совершенствованию технологии активных воздействий с учётом указанной целевой направлености.

В связи с изложенным совершенствование технологии снижения суфляроопасности угольных пластов является актуальной задачей.

Цель работ — определение целесообразности применения активных управляющих воздействий через скважины с поверхности, исследование и оценка их эффективности для заблаговременного предотвращения суфляроопасности угольных пластов.

Иде я работ заключается в возможности снижения суфляроопасности угленосного массива при пневмогидровсздействии (ПГВ) на угольные пласты в процессе предварительной дегазации последних с поверхности.

Научные положения, разработаны лично соискателем, и их новизна:

1. Усовершенствованная технология заблаговременной дегазации угольных месторождений является эффективным средством создания безопасных условий труда при отработке угольных пластов в условиях суфляропроявлений.

2. Механизм возникновения суфляроопасности при отработке свиты высокогазоносных угольных пластов на базе модели образования пустот и трещин эксплуатационного происхождения, учитывающий процессы сдвижения горных пород с выделением свободного метана в рабочее пространство горных выработок отрабатываемого пласта.

3. Усовершенствованная технология гидропневмовоздействия (ГПВ) на свиту пластов через скважины с поверхности для снижения суфляроопасности угольных пластов, базирующаяся на учёте горно-геологических условий залегания и порядке отработки пластов в свите. При заблаговременной дегазации должны обрабатываться все источники газовыделения в горные выработки отрабатываемого угольного пласта, причём нижележащие сближенные пласты в интенсивном режиме.

4. Расчёт основных параметров ГПВ на свиту угольных пластов, обеспечивающих раскрытие трещин при отработке сближенных пластов с радиусом, учитывающим размеры зон сдвижения пород после отработки суфляроопасного угольного пласта.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

анализом материалов и литературных источников по известным способам борьбы с суфлярными выделениями;

• экспериментальными результатами по применению технологии заблаговременной дегазации с целью снижения суфлярных выделений в горные выработки;

результатами подземных наблюдений по оценке эффективности технологии предварительной дегазации скважинами с поверхности для снижения суфляроопасности отрабатываемых угольных пластов;

удовлетворительной сходимостью результатов натурного экспери-^ мента с аналитическими исследованиями по развитию суфлярных эксплуатационных трещин во время сдвижения массива горных пород при подработке и надработке угольных пластов и пород.

Научное значение работы состоит в:

Разработке механизма суфляроопасности угленосного массива и СНИлсКИИ ЭЭ ПОТсКЦИйЛЬКОГ 'о проявления при ведении горных работ путём 'заблаговременных активных воздействий на толщу через скважины с поверхности.

Практическая ценность работ заключается в:

Разработке технологической схемы и основных параметров ГПВ на углегазоносную толщу через скважины с поверхности при подготовке угольных пластов к отработке в условиях суфлярных газопроявлений.

Реализация выводов и рекомендаций. Результаты исследования по определению основных параметров ПГВ вошли во "Временное руководство по заблаговременной подготовке шахтных полей к эффективной разработке скважинами с поверхности с пневмогидровоздействием на свиту угольных пластов", М.:МГИ, 1991 г., утверждённое МУЛ СССР, а также в "Программу и методику шахтных испытаний технологии заблаговременной дегазации путем лневмогидродинамического воздействия через скважины с поверхности на шахтных полях Донецкого бассейна", М.:МГИ, 1992 г., "Проект на проведение работ по пневмо-гидровоздействию на пласт Кз шахтоуправление "Зуевское" ПО "Шах-тёрскуголь" через скважины, пробуренные с поверхности" и "Проект по заблаговременной дегазации угольного пласта Кз путём пневмо-гидровоздействия через скважины с дневной поверхности на поле шахтоуправления "Зуевское" ПО "Октябрьуголь", согласованные и утверждённые в установленном порядке.

Апробация работы. Основное содержание диссертационной работы и её отдельные положения докладывались в составе научно-исследовательских отчётов по НИР, выполняемых согласно ОНТП Минуглепрома СССР в 1990-1991 годах, в отделе дегазации МакНИИ (1992-1993), в лаборатории вентиляции и дегазации шахт ПечорНШпроекта (1994+1995), на научной конференции "Неделя горняка" (МГГУ, 1997), на кафедре "Аэрологии и охраны труда" и кафедре "Инженерная завдта окружающей среды" в МГГУ.

- Публикации.. По результатам выполненных исследований опубликовано 5 научных работ.

Объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти .разделов, заключения, содержит 34 рисунка, 28.таблиц, список литературы из 71 наименования и приложения.

В диссертации изложены результаты научных исследований, вы-' полненные автором в 1989*1996 годах. Автор выражает искреннюю признательность заведующему кафедрой "Аэрологии и охраны труда" докт.техн.наук К.З.Ушакову, канд.техн.наук А.А.Форсюку и коллективу этой кафедры за методические и научные консультации, а также вед. научн. сотр. отдела дегазации МакНШ канд.техн.наук А.И.Ву-ханцову За участие в подготовке и проведении трудоёмких шахтных экспериментов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Большое значение для создания безопасных условий труда горняков имеет внедрение эффективных мер предупреждения газовыделений в рабочее пространство горных выработок и борьба с ними. Для угольных шахт, опасных по суфяярным выделениям метана, разработан ряд мероприятий, позволяющих снизить опасность суфляропроявлений. Однако, как показал анализ технологических схем борьбы с суфляр-ными выделениями, в больщедстве случаев мероприятия проводятся без учёта причин и условий возникновения суфляров, Кроме этого, суфляры эксплуатационного характера возникают на больших площадях, поэтому целесообразно осуществлять мероприятия П0 региональному сдижендо суфляроопасцости, а н® ограничиваться только локальными из подземных горных выработок.

' Большинству сррсдбРВ борьбы е суфлярными проявлениями, применяемых на шахтам, дриеущи следующие' недостатки:

— мероприятия по предотвращению суфляровыделений не разделены 50 времени и пространстве с основными горными работами, что создает дополнительные трудности при добыче угля и потерю рабочего времени на основные технологические операции;

• — отсутствует существенное изменение свойств угленосного

массива в необходимом направлении, что приводит к недостаточной эффективности воздействий.

Учитывая изложенное, эффективную борьбу с суфлярными проявлениями целесообразно вести с помощью специальных инженерных скважин, причём воздействие на суфляроопасный массив пород должно происходить до разгрузки угленосной толщи и образования полостей' и трещин, являющихся каналами для выхода свободного метана в горные выработки, то есть заблаговременно.

Должно быть общее начало в инженерных мерах борьбы с суфлярными проявлениями в угольных шахтах. Этим общим началом является необходимость обеспечения доступа к угленосной толщи и повышения газогидропроводности угольных пластов (пород).

Известно, что в угольной толще процессы переноса энергии, массы, тепла происходят медленно. Для достижения ощутимого результата в изменении свойств и состояния толщи требуется достаточно длительное время. Возникает потребность увязки во времени и пространстве управляющих инженерных воздействий и горных работ.

Так как мероприятия по снижению суфляроопасности целесообразно проводить заблаговременно, .до проведения горных выработок, то инженерным сооружением, с помощью которого обеспечивается подготовка, должна являться скважина с дневной поверхности. В качестве таких скважин целесообразно использовать геологоразведочные скважины, а при их отсутствии или невозможности их переоборудования — специальные инженерные.

С экономической точки зрения весьма важно обеспечить обработку одной скважиной большей площади шахтного поля и при этом всей свиты угленосной толщи, включая нерабочие пласты и вмещающие породы.

Заблаговременная дегазация угленосной толщи может являеться перспективным направлением снижения суфляроопасности горных выработок. В некоторых горно-геологических условиях не существует альтертативных заблаговременной дегазации способов борьбы с суфлярными газопроявлениями. Для получения необходимой эффективности снижения суфляроопасности необходимо применять комплекс способов активных воздействий на угленосную толщу. Одним из универсальных способов может являеться гидропневмовоздействие на угольные пласты.

В 1962 году проф. Н.В.Ножкин впервые осуществил экспериментальные работы по гидравлическому расчленению угольных пластов через скважины с поверхности. Дальнейшему развитию технологии заблаговременной дегазации, усовершенствованию и развитию способа посвящены исследования Ю.Ф.Васючкова, С.А.Ярунина, И.А.Швеца, Щ.У.Ахметбекова, Н.Х.Шарипова, В.А.Громова, А.И.Буханцова, С.В.Сластунова, Н.Н.Красюка, Ю.Г.Анпилогова, В.Н.Королёвой, В.И.Липы, А.С.Лукаша, М.С.Усенбекова С.М.Горбунова, Ф.А.Муллага-лиева и многих других. В настоящей работе исследуются особенности механизма развития эксплуатационных суфлярных трещин и технологические решения по предотвращению метановыделений в горные выработки отрабатываемого пласта на базе разработанной ранее технологии активных воздействий на угольный массив через скважины с поверхности.

В диссертационной работе решались следующие основные задачи:

1. Разработка модели и аналитическое обоснование механизма образования эксплуатационных метановых суфляров на угольных шахтах.

2. Обоснование основных параметров усовершенствований технологической схемы гидропневмовоздействия (ГПВ) для заблаговременного снижения суфляроопасности угольных пластов.

3. Разработка методики проведения поискового натурного эксперимента и оценка эффективности разработанной технологии.

4. Проведение натурного эксперимента, разработка рекомендаций и определение области применения способа.

Исследована гипотеза о возможности проникновения газа в виде эксплуатационных суфляров из пластов-спутаиков, которая заключается в следующем: после отработки достаточной площади ' рабочего пласта давление толщи пород на нижележащие угольные плаоты-спут-ники частично уменьшается, часть метана десорбируется, сорбированный углём газ начинает переходить в свободное состояние и накапливаться в дополнительно образовавшихся полостях. Газовое давление в полости постепенно растёт и становится достаточным для прорыва ослабленного в процессе сдвижения пород междупла"тья. Через образовавшиеся трещины метан проникает в горные выработки отрабатываемого пласта в виде суфляров. Из вышезалегающих угольных

б

пластов-спутников метан также проникает вследствие обрушения пород и образования новых газопроводящих каналов. Вследствие того, что данные каналы возникают быстро и трудно определимы, дегазация (каптаж) метана во время их возникновения затруднены (рис.1).

Наиболее кардинальным направлением снижения интенсивности суфляропроявлений'в горных выработках может являться региональная' подготовка шахтного поля, одним из перспективным способов по снижению суфляроопасности — способ заблаговременной дегазации угленосной толши'.

Для обработки угольных пластов и пород, которые являются потенциальными источниками суфлярных выделений, предусматриваются специальные параметры обработки (темп и объёмы закачки, радиус воздействия (КВозд) и некоторые другие).

Основные параметры пневмогидровоздействил для целей борьбы с суфлярными выделениями в рабочее пространство горных выработок должны обеспечивать:

1. Обработку боковых пород рабочего пласта (источников суф-лярного выделения метана).

2. Интенсивную дегазацию суфляроопасных пластов, достигаемую за.счёт изменения параметров обработки (увеличения темпа и объёма закачки,,радиуса воздействия (Г?Возд))-

ГГри разработке методики оценки эффективности технологии заблаговременной дегазации по снижению суфляроопасности угольных пластов в основу были положены наиболее существенные критерии оценки заблаговременной дегазации и суфляроопасности угольных пластов.

Их можно сгруппировать в следующие группы: 1) критерии оценки по наблюдениям в горных выработках, 2) критерии оценки по наблюдениям на устье скважин, 3) критерии оценки, положенные в основу других известных методик.

Первая группа предусматривает оценку вне и в зоне активных воздействий для оценки эффективности технологии в различных горно-геологических условиях.

Вторая группа оценки предусматривает изучение параметров газометановой смеси, извлекаемой из специальных инженерных скважин (объём, дебит, концентрация за весь период освоения и эксплуатации скважин).

I - зона актиЬного состояния парод;

промежуточная зона> Ж ~ зона пассивного отпора ; Ш ~ зона наибольшего прогиба; Е- зона сжатия пороа (опорного давления).

& - сурлярное Выделение; ит-пустоты между слоями со сба&одным метаном.

РИС.1. Образование суфляров эксплуатационного происхождения при сдвижения горних пород

Третья группа оценки предусматривает изучение и анализ следующих данных: наличия в почве или кровле отрабатываемого пласта сильно газоносных угольных пластов и пород, а также наличия суфляров в выработках других Слизрасположенных участков шахтного поля. Изучаются геологические и технологические особенности отработки угольного пласта, способные вызвать суфлярные выделения ме-" тана. Используются расчётные методы определения доли метановыде-ления пластов-спутников при отработке рабочего пласта.

Блок-схема методики оценки эффективности технологии представлена на рис.2.

Поисковый эксперимент и испытание технологии заблаговременной дегазации по снижению суфляроопасности угольных пластов проводился в 9-й восточной лаве пласта Кз на поле шахты "Зуевская" ПО "Октябрьуголь". Проектом предусматривалось активное воздействие на рабочий пласт Кз и его спутники, находящиеся в непосредственной близости от угольного пласта, попадающие в зону разгрузки, имеющие высокую природную газоносность (25-30 м3/т) и являющиеся потенциальными источниками суфлярного выделения. Основные научные результаты эксперимента получены при исследованиях в зоне скважины. МТ-248.

При проведении эксперимента решалась задача по оценке работоспособности и эффективности технологии заблаговременной дегазации по снижению суфляроопасности угольных пластов. В качестве способа активного воздействия на массив горных пород исследовалась одна из схем ГПВ с ограниченным объёмом закачки воды. Эта разновидность способа ГПВ была выбрана в связи с тем, что обрабатываемые угольные пласты и породы, источники суфлярных выделений, находятся в непосредственной близости от рабочего пласта Кз, поэтому активное воздействие на них большими порциями воды нежелательно по причине ухудшения устойчивости непосредственных почвы и кровли. Кроме того, скважины бурились в непосредственной близости от линии очистных работ по пласту Кз, поэтому время на извлечение метановоздушной смеси после ГПВ составляло не более 2+3 месяцев.

Фактические показатели процесса гидропневмовоздействия по закачке жидкого рабочего агента (техническая вода) и газообразного рабочего агента (воздух) в специальную скважину на участке 9-й восточной лавы на скважине МТ-248 представлены в табл.1 и табл.2.

PMC. 2

ТАБЛИЦА 1

Показатели процесса гидровоздействия на пласты и породы через скважину МТ ГР 248

Индекс обрабатываемого пласта ц и к л ы Темп нагнетания рабочей жидкости в пласт, _ _ 10 3 м / с Давление рабочей жидкости на входе в пласт, МПа Объём закачки рабочей жидкости в пладт м Абсолютное время закачки, мин

макси-маль-ный рабочий макси-маль-ное рабочее

к23зк3+к23 I 32,4 30,5 14,9 11,4 254 136,5

Кз I II III 19,3 22,0 24,6 15,0 20,0 24,6 18,0 14,0 11,0 11,3 10,7 9,6 21 22 27 £70 20,5 17,7 18.3

156',5

К41 I 25,1 24,3 17,8 10,9 28 19,2

ТАБЛИЦА 2

Показатели процесса пневмовоздействия на пласты через скважину МТ-£48

И ' Мощ- Фильт- Ц Давление Темп Объём Время Коэф- Коэф-

н ность рующая на устье наг- закач- нагне- фици- фици-

д плас- порис- И скважина, не- ки воз- тания , ент ент

е та, тость та- духа, приё- лрони-

к К МПа ния ч мис- цае -

с м воз- тыс.м3 тости мости

п Л ду- плас- плас-

л ра- мак- ха, та, та,

а ы бо- си- 10~4

с чее маль- м3/с 10-15

т ное м3/МПа>-с

а м2

Кз 1,38 0,047 I 9,0 10,20 0,15 66,8 126,0 1,1-2,0 0,5+8,3

II 9,6 10,30 0,15 158,1 ив;о 2,3*2,6 11,8

+0,3

III 8,0 9,8 0,3+ 209,6 50,8 4,2-6,6 31,5

0,45

1434,5 Е323ТБ

К41 1,04 0,055 I 7,8 9,6 0,15 34,8 30.6 0,11+2,6 0.75«Г -0. С-

II 6,1 7,5 0,3 52.4 35,2 5,7+9,2 186,0

Е57Г2 Ш^Б

После завершения процесса пневмогидровоздействия на угольные пласты и породы скважины открывали и осуществлялся выпуск газовоздушной смеси в режиме самоистечения, а после подработки скважины горными работами производилось вакуумирование. Стабильная работа скважин обеспечивалась путём периодической продувки воздухом зумпфа скважин и удаления жидких и твёрдых частиц на поверхность, что приводило к улучшению газоогдачи и притока газа из пласта в скважину. Продувка скважин осуществлялась через насос-но-компрессорные трубы (НКТ) 1+2 раза в- месяц.

В начальный период освоения скважины МТ N°248 происходило извлечение воды в режиме эрлифта с пузырьками метановоздушной смеси из зумпфовой части. В скважину были опущены насосно-комп-рессорные трубы (НКГ) с диаметром 60,3 мм. В НКТ с помощью передвижной компрессорной установки СД-9/101 нагнетался воздух под давлением 5,0+6,0 №а, который вытеснял столб воды из скважины по затрубному пространству на поверхность.

После десяти дней освоения скважины приток воды в зумпфовую часть стал незначительным. Осушение скважины производилось в дальнейшем с интервалом 20+25 дней.

Наиболее высокий уровень воды был отмечен в начальный период освоения скважины МТ-248, примерно на 65 м выше отметки нижнего вскрытого угольного пласта (К23).

Объём извлечения метана зависал от притока воды в скважину. При заполненной водой скважине дебит метана снижался, при удалении воды дебит метана возрастая.

После осушения скважины МТ-248, на устье был установлен шайб-ный измеритель-орифайс, состоящий из трубы 2,5 дюйма и наваренного диска с просверлинными отверстиями. Устье скважины было закрыто и весь' газ выходил через два открытых отверстия диаметром 10 мм и 15 мм. V-образным манометром, заполненным водой, измерялся перепад давления перед открытыми выходными отверстиями и атмосферным. Шахтным интерферометром ШИ-12 замерялась концентрация метана из выходящей газовоздушной смеси.

Первый замер с помощью шайбного измерителя-орифайса был произведён при неполном осушении скважины. Дебит метановоздушной смеси составил 60 м3/сут при концентрации СИ4 * 78%, извлекаемая газовоздуыная смесь в пересчёте на чистый метан составила

46,8 м3/сут. После оолее полного осушения дебг,- газовоздушной смеси уже составлял 75 м3/сут при концентрации метана от 90+961, что е пересчёте на чистый метан составило * 70 м3/сут. После этого было произведено дополнительное осушение, а через двое суток дебит газовоздушной смеси из скважины стабилизировался и в среднем составил 700 м3/сут при средней концентрации метана 90%. Резузультаты освоения скважины МТ-248 приведены в табл.3.

ТАБЛИЦА 3

Результаты освоения скважины Ж 248

Про- Расход Концент- Расход Объём Объём Обра- Объём,

должи- газо- рация метана, откаче- откаче- бота- извлекае-

тель- вой метана в нной нного нные мого ме-

ность смеси, газовой м°/мин газовой метана, запа- тана на

извле- смеси, смеси, о сы 1 т обра-

чения мэ/мин тыс.м угля, ботанных

мета- % тыс.м3 запасов

на, тыс. т угля,„

сут м^/т

168 0,52 88 0,46 125,8 111,7 37,1 3,0

При подработке специальных скважин горными работами их использовали для дегазации выработанного пространства, а затем ликвидировали путём тампонажа колонны.

В процессе освоения скважин при вакуумировании производились замеры дебита и концентрации газовоздушной смеси, температуры и химического состава газовой смеси. Производилось определение и расчёт следующих показателей:

— объёма, выпускаемой газовой смеси, м3;

— концентрации метана в выпускаемой газовой смеси, X; . — объёма газа в пересчёте на чистый метан, м3/мин;

— суммарный объём газовоздушной смеси за сутки, месяц и за весь период эксплуатации скважины;

— падение давления на устье скважины, МПа;

— химический состав газовой смеси.

Результаты освоения скважин на участке 9-й восточной лавы пласта Кз при вакуумировании приведены в табл.4 и на рис.3,4.

ТАБЛИЦА 4

Сводная таблица показателей освоения скважины МТ-248 в режиме вакуумирования -

Период Средняя Средний Средний Объём

извле- концен- дебит дебит извлечения

чения трация смеси, метана, метана,

метана, метана. м3/мин тыс. м3

м3/мин

мес 7.

I 55 25,2 13,7 612,028

II 57 30,4 18,8 811,487

III 62 29,8 18,5 827,009

IV 61 29,7 18,1 783,072

V 62 28,3 17,8 794,961

VI 62 25,3 16,3 728,251

VII 58 21,4 12,6 509,875

VIII 52 20,4 10,7 476,539

IX 48 20,7 10,0 434,693

X 39 21,4 8,3 370,483

XI 52 21,6 11,4 492,134

XII • 38 21,5 8,3 368,280

XIII 31 21,6 6,6 294,149

XIV 25 21,2 5,2 224,565

XV 53 21,6 11,5 514,567

XVI 41 20,6 13,0 562,795

£8804,888

Оценка эффективности заблаговременного снижения суфляроопас-ности осуществлялась также и из подземных горных выработок по комплексу иахтных наблюдений, предусматривающих определение:

— абсолютного метановыделения в горные выработки, м3/мин;

— относительного метановыделения в горные выработки, м3/т;

— объёма и дебита суфлярного выделения метана, м3 и м3/мин.

На процесс образования суфлярных выделений эксплуатационного

происхождения йшяет ряд свойств и состояние массива. Одно из них состояние массива — это расположение максимума опорного давления.

Для смещения максимума опорного давления в сторону массива необходим комплекс мероприятий по изменению свойств и состояния массива горных пород, в часности, по увеличению пластичности в боковых породах и перераспределению давления в массиве горных пород.

РИС.3. Изменение основных параметров гззовиделения на участие Э-й восточной лавы пласта Кя при вакуунировании:

1 — концентрация метана, X; <•

2 — деСит метана, м^/мин

РИС.4. Динамика извлечения метана от времени при вакуумировании на участке 9-й восточной лавы пласта Кз

Оценка эффективности проводимых работ в годных выработках осуществлялась по начальной скорости газовыделения из шпура с целью определения максимума опорного давления в подготовительной выработке в зоне и вне зоны воздействия. Для этого по длине подготовительной выработки (9-й восточный откаточный штрек пласта Кз) по угольному пласту бурились шпуры 0 42 мм и длиной от 2 м до 6 м. Далее производились работы по определению начальной скорости газовыделения из шпура согласно "Инструкции по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа", М.:ИГД им.А.А.Скочинского, 1989, с.-192.

ИсследованияV-' установлено, что максимум опорного давления вне зоны сравнения находился на расстоянии 2*3 м от стенок выработки, а в зоне воздействия — 4*6 м от стенок выработки.

Для определения эффективности способов борьбы с суфлярными выделениями в горные выработки было выбрано три зоны: i — 9-я восточная лава пласта Кз на поле шахты "Зуевская", где было произведено активное воздействие на массив горных пород; II — та же лава, но участок, где не производилось активное воздействие, а лишь были пробурены скважины с поверхности в купол обрушения горных пород; III — 5-я "бис" западная лава пласта Кз на поле шахты "Кировская", где для борьбы с суфлярами применялась подземная дегазация выработанного пространства.

Первоначально была проанализирована работа 5-й "бис" западной лавы пласта Кз на поле шахты "Кировская". По причине суфляр-ных выделений в откаточном штреке пласта Кз отмечено большое количество остановок участка. Концентрации метана в поступающем в забой воздухе при загазировании во многих случаях превышали 2,5%. Относительная газообильность участка за исследованный годовой период составила 50,03 м3/т с.д, руководством шахты были разработаны мероприятия по снижению суфляроопасности и метановыделений в горные выработки, пройденные по пласту Кз, в том числе был реализован "Проект на дегазацию спутников пласта Кэ скважинами, пробуренными из вентиляционного штрека пласта Кз". Однако и данное решение не дало положительных результатов.

Согласно указанному проекту бурение дегазационных скважин из подземных горних выработок производилось из горных выработок на пласты-спутники, скважины подключались к магистральному трубопро-

воду и производился отсос метана. За весь период работы участка было пробурено 10 кустов скважин, (по 1+3 скважины в кусте). Кроме того, использовались зонды для отсоса метана из выработанного пространства. Данные мероприятия не привели к ожидаемому результату — концентрация метана в ряде случаях была взрывоопасной. Так, на кусте №б при использовании зондов на ПК-20 концентрация отсасываемого метана колебалась от 3% до 12%, со средним содержание метана в трубопроводе — 9%. Как известно, такая смечсь является наиболее взрывоопасной. При дегазации подземными скважинами спутников рабочего пласта после разгрузки массива от горного давления концентрация метана в трубопроводе ша шахте "Кировская" в среднем составила 15% и в очень редких случаях достигала 50%. Дегазация нижележащих пластов спутников вообще не проведена вследствие обводнённости пород почвы и затопления скважин водой.

Таким образом, дегазация спутников подземными скважинами из горных выработок с целью снижения метанообильности горных выработок и борьбы с суфлярными выделениями не обеспечила необходимой эффективности на шахте "Кировская", поэтому для предотвращения эксплуатационных суфлярных выделений из нерабочих пластов-спутников и снижения метанообильности горных выработок после дополнительных исследований был рекомендован способ заблаговременной дегазации скважинами с дневной поверхности на неразгруженный массив горных пород, сущность которого изложена выше.

Шахтные наблюдения в 9-й восточной лаве пласта. Кз проводились вне зон пневмогидровоздействия (исходная зона) и в зонах с активными воздействиями на массив горных пород (зона обработки). Исследования по газообильности велись с начала и до полной отработки выемочного столба. Проведение газовых съёмок.и определение элементов газового баланса участка производилось согласно нормативному руководству. Отбор проб газовой смеси из горных выработок производился ^'мокрым" способом работниками шахты с участием сотрудников МГГУ и МакНШ. Разделка проб производилась в лаборатории МакНШ.

Замерные пункты наблюдений располагались по возможности на прямолинейных участках горных выработок. В процессе, проведения газовых съёмок в каждом пункте производились замеры скорости движения воздуха в выработке, концентрация метана и площадь попереч-

ного сечения горной выраоотки.

Результаты газовых съёмок в исходной зоне и зоне гидропневмо-обработки участка 9-й восточной лавы пласта Кз шахты "Зуевская" ПО "Октябрьуголь", приведены в табл.5.

ТАБЛИЦА 5

Газовый баланс и оценка эффективности ГПВ по дегазации 9-й восточной лавы пласта кз шахты "Зуевская"

Участок исследования Газовыделение „ на участке, м^/мин Эффективность дегазации выемочного участка, %

Общее на участке Из разрабатываемого пласта Из сближенных пластов и пород

Исходная зона 20,41 1,49 18,92 51

Зона обработки 10,35 2,05 8,3

В зоне обработки метановыделение из сближенных пластов и пород изменяется от 5,4 м3/мин до 12,96 м3/мин (среднее 8,3 м3/мин), в исходной зоне абсолютная метанообильность горных выработок изменялась от'6,7 м3/мин до 26,24 м3/мин (среднее 18,92 м3/мин).

Согласно расчётам газовыделение из сближенных угольных пластов и пород является составной частью общего газовыделения на выемочном участке 9-й восточной лавы пласта Кз, достигая 80%, что и подтверждено экспериментальным путём.

Замеры дебита метана в поверхностных дегазационных скважинах и в горных выработках, пройденных по пласту Кз, показывают, что в среднем 4,07. метана, выделяющегося из сближенных пластов и пород при подработке массива очистным забоем, извлекается на погл рх-ность.

Изложенные результаты оценки технической эффективности работ по ГПВ на высокогазоносный угленосный массив подтвердили высокую эффективность разработаного способа по снижению газообильности горных выработок и снижению суфляроопасности массива, что позволяет рекомендовать данный способ для дальнейшего внедрения.' Подтверждена технико-экономическая эффективность способа ГПВ по снижению суфляроопасности угленосного массива.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, являющейся научной квалификационной работой, дано новое решение актуальной для угольной промышленности научной и практической задачи заблаговременного снижения суфляроопасности пластов путём управляющих воздействий через скважины с поверхности.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработана модель для описания механизма образования эксплуатационных метановых суфляров, заключающаяся в следующем: после отработки части угольного пласта, достаточной для прогиба и (или) обрушения вышележащих пород, давление толщи пород на нижележащие угольные пласты-спутники резко падает, ввиду чего сорбированный углём метан начинает переходить из сорбированного в свободное состояние и накапливаться в трещинах, образовывающихся на контакте пласта с вмещающими породами. Газовое давление в эксплуатационных дефектах постепенно растёт и во многих случаях становится достаточным для обеспечения прорыва через породы мэждуп-ластья, после реализации которого через образовавшиеся трешины метан из полостей -проникает в горные выработки отрабатываемого пласта в виде суфляров.

2. Разработаны технологическая схема и параметры заблаговременного снижения суфляроопасности угольных пластов путём управляющих воздействий через скважины с поверхности.

3. Разработана методика оценки эффективности технологии заблаговременной дегазации по снижению суфляроопасности угольных пластов и пород.

4. Экспериментально доказано существенное снижение газовыде-

ления в горные выработки в зонах пневмогидровоздгуствия на массив горных пород (эффективность дегазации — 51Z, расчётное извлечение метана на поверхность из пластов-спутников — 40Z), что обеспечивает существенное увеличение нагрузок на очистной забой.

5. Разработаны рекомендации для условий отработки пласта I7 шахты "Рассвет", обеспечивающие снижение газовыделения в горные выработки и уменьшение пучения почвы отрабатываемого пласта за счёт заблаговременного съёма газа метана из подрабатываемой угленосной толши.

6. Основным эффектом работ по заблаговременному снижению суф-ляроопасности п; \стов следует считать социальный по обеспечению безопасных условий труда шахтёров. Экономическая состоятельность работ достигается в основном за счёт повышения допустимых нагрузок на очистной забой по газовому фактору. Для условий шахты "Зу-евская" расчётный экономический эффект по этому фактору при отработке запасов в зоне одной скважины составил 128,6 тыс.рублей (в ценах до 1990 г.).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Шилов A.A. Общие причины образования метановых суфляров в толще угольных месторождений. Депонированная рукопись — "Горный информационно-аналитический бюлетень", №l, 1993 (справка №27/9-53 от 21.12.92).

2. Ножкин Н.В., Сластунов C.B., Шилов A.A. Заблаговременный способ предотвращения суфляроопасности горных выработок. Депонированная рукопись — "Горный информационно-аналитический бюлетень", №1, 1993 (справка №27/9-56 от 21.12.92).

3. Сластунов C.B., Шилов A.A., ТананаН.В., Науменко В.Ф., Мельник О.В. Проектные решения по сооружению специальных инженерных' скважин с дневной поверхности на шахте "Комсомольская". Депонированная рукопись — "Горный информационно-аналитический бюлетень", №3, 1995 (справка №27/9-213 от 22.12.95).

.4. Буханцов А.И., Смирнов О.В., Шилов A.A. Борьба с газом при разработке высокогазоносных угольных пластов на стадии их предварительной дегазации. — В сб.: Повышение безопасности труда при добыче угля: Науч.тр.. ВостНИИ. — Кемерово, 1996, с.196-202.