Подготовка и разработка высокогазоносных угольных пластов

УДК 622.817.47
ББК 33.31
 
Р82

Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых» СанПиН 1.2.1253—03, утвержденным Главным государственным санитарным врачом 
России 30 марта 2003 г. (ОСТ 29.124—94). Санитарно-эпидемиологическое заключение 
Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия 
человека № 77.99.60.953.Д.014367.12.09

© Коллектив авторов, 2010,
© Издательство «Горная книга», 2010
© Дизайн книги. Издательство «Горная книга», 2010

ISBN 978-5-98672-243-6
УДК 622.817.47
ББК 33.31

Рубан А.Д., Артемьев В.Б., Забурдяев В.С., Захаров В.Н., 
Логинов А.К., Ютяев Е.П.
Р82  
Подготовка и разработка высокогазоносных угольных пластов: 
Справочное пособие / Под общ. ред. А.Д. Рубана, М.И. Щадова. — М.: 
Издательство «Горная книга», 2010. — 500 с. (БИБЛИОТЕКА ГОРНОГО ИНЖЕНЕРА)
ISBN 978-5-98672-243-6 (в пер.)

Рассмотрены и обобщены вопросы подготовки и интенсивной разработки газоносных 
угольных пластов в шахтах Российской Федерации. Представлены технико-технологические решения для добычи угля в высокопроизводительных очистных забоях. Описаны 
рациональные схемы проветривания выемочных участков и шахтных полей. Приведены 
способы, схемы и параметры дегазации основных источников метановыделения, методические основы проектирования дегазационных систем, средства измерения и контроля 
параметров каптируемых метановоздушных смесей. Даны технологические решения, применение которых повышает безопасность ведения горных работ по газовому и пылевому 
факторам и снижает вероятность взрывов метанопылевоздушных смесей. Оценены ресурсы 
шахтного метана и рассмотрены перспективы его утилизации при подземной добыче угля 
для сокращения выбросов парниковых газов в атмосферу. Изложены рекомендации по 
подготовке и разработке метаноносных угольных пластов на горных отводах высокометанообильных шахт и описан опыт их реализации в нашей стране.
Для научных и инженерно-технических работников угольной промышленности, специалистов проектных, научных и образовательных организаций, деятельность которых 
связана с разработкой угольных месторождений подземным способом.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Уголь, как свидетельствуют не только тенденции долгосрочного развития 
мирового рынка энергоносителей, но и тенденции изменения мирового 
угольного рынка в условиях масштабного финансово-экономического 
кризиса, остается энергоносителем, являющимся одним из основных компонентов мирового топливно-энергетического баланса наряду с нефтью и 
природным газом, по крайней мере, до 2030 г., что важно для России с ее 
огромными угольными ресурсами, которые значительно превышают ресурсы 
нефти и газа. Уголь останется одним из самых надежным и востребованных 
человеком источников энергоснабжения в обозримом будущем. Вместе с 
тем, российские угольные месторождения, прежде всего Кузбасса и Воркуты, являются высокометаноносными, и при их разработке подземным 
способом из каждой тонны угля газоносных пластов выделяется в среднем 18,6 м3 метана, что создает значительный барьер для экономически 
и технически обоснованного увеличения производительности очистных 
и проходческих забоев.
Российские предприятия будут априори рентабельными при добыче угля 
не менее 2–3 млн т из комплексно-механизированного забоя в течение 
года, или не менее 8–15 тыс. т угля в сутки. Однако при разработке высокометаноносных угольных пластов с такой производительностью очистных 
забоев в выработки выемочных участков выделяется до 75–90 м3/мин метана. Обильное выделение метана в горные выработки при определенных 
обстоятельствах может спровоцировать взрывы метановоздушных смесей, 
сопровождающиеся гибелью людей, существенными потерями объемов добываемого угля и огромными затратами средств на ликвидацию последствий 
таких аварий. Это предопределяет необходимость применения эффективных 
схем вентиляции выемочных полей и участков, способов и схем дегазации 
источников метановыделения, а также формирования дегазации как технологического процесса извлечения и утилизации шахтного метана, имеющего 
четкую структуру стадий, операций и собственный продукт — каптируемые 
и пригодные для утилизации метановоздушные смеси.
Наше справочное пособие основано на многочисленных исследованиях, 
выполненных авторами и участниками данной работы в рамках различных 
научных исследований и проектов (по проблемам метанобезопасности 
шахт). Особое место среди данных исследований занимает выполненный 
в УРАН ИПКОН РАН и ОАО «СУЭК» совместно с ФГУП «Гипроуглеавтоматизация», ИУ и УХ СО РАН и рядом других организаций проект по 

государственному контракту № 02.532.11.9001 Федерального агентства по 
науке и инновациям, который позволил синтезировать эти исследования, 
реализовать их в виде результатов научно-исследовательских, опытно-конструкторских, опытно-технологических работ и внедрить в промышленность 
ряд принципиально важных концептуальных положений для создания конкурентоспособной на мировом угольном рынке по производительности и 
безопасности труда энергоэффективной российской шахты по добыче угля 
и извлечению шахтного метана.
Справочное пособие содержит результаты исследования вопросов нормализации рудничной атмосферы на выемочных полях шахт при разработке 
метаноносных пластов угля с применением высокопроизводительной очистной техники путем реализации в конкретных горно-технических условиях рациональных новых технологических решений, в том числе: схем подготовки и 
разработки газоносных угольных пластов; схем проветривания; способов, схем 
и параметров дегазации основных источников метановыделения; комплекса 
мероприятий по первоочередному извлечению метана из разрабатываемых 
пластов угля с последующим увлажнением угольного массива, а также исполнительных органов угледобывающих комбайнов с низким пылеобразованием; 
средств пылеподавления, исключающих воспламенение метанопылевоздушных 
смесей от фрикционного искрения.
В книге представлены основы проектирования шахтных дегазационных 
систем, включая обустройство скважин, дегазационные трубопроводы и 
вакуум-насосные станции, средства контроля параметров каптируемых 
метановоздушных смесей. Описаны способы утилизации извлекаемого 
средствами дегазации шахтного метана, приведены прогнозные данные 
об утилизации каптируемых метановоздушных смесей путем выработки 
из них электрической и тепловой энергии с точки зрения экономической 
эффективности.
Обобщен опыт внедрения типовых схем подготовки и разработки метаноносных пластов с использованием современных средств угледобычи на 
высокопроизводительных шахтах с интенсивными выделениями метана. 
Даны рекомендации по выбору схем подготовки и разработки высокогазоносных пластов угля, совершенствованию технологии управления метано- 
и пылевыделениями на высокопроизводительных выемочных участках, по 
применению способов утилизации каптируемых метановоздушных смесей 
для повышения безопасности ведения горных работ по газовому и пылевому 
факторам и проведению мероприятий для защиты воздушного океана Земли 
от выбросов парниковых газов.
Справочное пособие написано по материалам выполненного комплекса 
работ, включающего в себя теоретические и экспериментальные исследования, шахтные наблюдения, обоснование и реализацию предложений по 
новым технико-технологическим решениям для исключения или снижения 

отрицательного влияния повышенных объемов выделения метана и пыли на 
процессы угледобычи и вредного их воздействия на рудничную атмосферу и 
воздушное пространство нашей планеты в угледобывающих регионах России. Справочное пособие предназначено для широкого круга специалистов 
угольных компаний, проектных, научных организаций, профессорско-преподавательского состава и студентов образовательных учреждений горного 
профиля, которым, как надеются авторы книги, она поможет в решении 
проблем технологического обеспечения высокоинтенсивной подземной угледобычи при разработке газоносных пластов.
В подготовке отдельных разделов этой книги, кроме авторов, принимали 
участие сотрудники УРАН ИПКОН РАН, специалисты угольных компаний, 
разрабатывающих метаноносные угольные месторождения на территории 
Российской Федерации, а также сотрудники научных организаций, которым 
авторы выражают свою благодарность.

Глава 1

ПОДГОТОВКА ГАЗОНОСНЫХ 
УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ 
К ИНТЕНСИВНОЙ ОТРАБОТКЕ

1.1. 
МЕТАН УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Многочисленные угольные регионы зарубежных стран, СНГ и России рассматриваются, главным образом, как угольные месторождения, хотя многие 
из них являются достаточно крупными месторождениями метана, который 
содержится в угольных пластах, рассеянном угольном веществе и породах.
Метан — экологически чистое полезное ископаемое с теплотой горения 
50–56 МДж/кг. Сжигание 1000 м3 метана эквивалентно по теплотворной 
способности сжиганию 1,3–1,5 т угля. Метан целесообразно добывать и 
использовать как попутное полезное ископаемое угольных месторождений. 
Максимально возможное извлечение метана из шахт необходимо еще и по 
соображениям безопасности: ведь он основной и весьма опасный компонент природных газов, содержащихся в угольных пластах и углевмещающих 
породах, а с рудничным воздухом образует горючие и взрывчатые смеси.
По информации [1] количество метана, заключенного в недрах основных угольных бассейнов СНГ (Донбасс, Кузбасс, Карагандинский и 
Печорский), оценивается в 77 трлн м3, из которых в угольных пластах и 
пропластках содержится 14,5 трлн м3. К промышленным ресурсам метана 
при существующей технологии его извлечения отнесены 2,6 трлн м3, а при 
новых технологиях ближайшего будущего — 7 трлн м3.
Промышленные ресурсы метана в угольных месторождениях устанавливают, подсчитывая запасы угля и метана как попутного полезного ископаемого (геолого-экономическая оценка запасов). Они могут быть определены 
также на основе прогноза метановыделений из разрабатываемых пластов с 
учетом их долевого участия в газовом балансе шахты или по данным ретроспективного анализа объемов добычи угля и выделений метана в угольных 
шахтах [1].
Геолого-экономическая оценка и подсчет запасов метана в угольных 
пластах осуществляется в соответствии с действующими нормативно-методическими документами комиссией по запасам полезных ископаемых. 
Геологической основой подсчета служат закономерности распределения природных газов в угольных месторождениях, количественные характеристики 
метаноносности угольных пластов и их изменение с глубиной залегания и 
по площади шахтных полей [2].

В качестве границ подсчета запасов шахтного метана принимаются контуры, в пределах которых его извлечение при отработке угольных пластов 
технологически необходимо по условиям безопасного ведения горных работ 
по газовому фактору. Местоположение границ устанавливается в соответствии с «Методическими рекомендациями о порядке дегазации угольных 
шахт» [3]. Все запасы метана, в том числе и в пластах с забалансовыми запасами угля, и в нерабочих пластах, подсчитанные в контурах возможного 
извлечения метана, относятся к балансовым. Кроме того, в этих контурах 
оцениваются прогнозные ресурсы метана в нерабочих тонких пластах и 
пропластках угля.
Общие ресурсы метана в пределах шахтного поля (блока, пласта, горизонта) определяются путем умножения запасов угля в нем на среднюю 
метаноносность угля и коэффициент сухой беззольной массы. При этом 
прогноз ресурсов метана, выделяющегося в горные выработки и дегазационные сети угольных шахт, может быть достаточно эффективен при наличии 
сведений и исходных данных о порядке отработки угольных пластов в свите, 
календарном плане ввода и вывода выемочных участков, добыче угля, системах разработки, способах проветривания горных выработок и дегазации 
источников метановыделения, а также исчерпывающих данных о стратиграфических разрезах углевмещающей толщи, мощности и метаноносности 
угольных пластов, зольности и влажности углей и другой информации, 
предусмотренной требованиями РД-15-09–2006. Расчеты метанообильности 
выемочных участков и шахт в целом выполняются по программам на основе 
положений нормативных документов [3, 4].
Отсутствие достоверных данных о промышленных запасах метана угольных месторождений и отдельных шахт может привести к затруднениям и 
даже ошибкам при составлении проектов для добычи и использования 
угольного метана. Поэтому необходимо знать объемы и сроки устойчивого 
извлечения метана из угольных пластов, интенсивность его выделения в 
горные выработки и дегазационные системы шахт, содержание метана в 
каптируемых различными способами газовоздушных смесях как в метанообильных шахтах, так и в угольных регионах.
Решение поставленной задачи осложняется прежде всего тем, что метан, содержащийся в угольных месторождениях, извлечь и использовать в 
полном объеме не представляется возможным, так как в угольных пластах 
он находится преимущественно в сорбированном состоянии и может быть 
извлечен, причем в значительно меньших количествах по отношению к 
исходному, главным образом, в процессе разгрузки угольных пластов и углевмещающих пород от горного давления, когда создаются благоприятные 
условия для десорбции и истечения газов. Такие условия формируются во 
время подземной разработки угольных месторождений.
Потенциальные объемы шахтного метана, содержащегося в угольных 
пластах и метаноносных породах, на примере Томь-Усинского и Мрасского 

геолого-промышленных районов Кузбасса приведены в табл. 1.1. При существующих технологиях добычи угля и интенсивности выделения метана 
в горные выработки и дегазационные скважины из углепородного массива 
извлекается только часть общего объема метана. Значительная его доля 
остается в сорбированном состоянии в частично подработанных и надработанных угольных пластах и пропластках, а также в свободном состоянии 
в выработанных пространствах, полостях и трещинах, формируемых в процессе ведения горных работ и разгрузки углепородного массива. Кроме того, 
небольшое количество метана, заключенного в разрабатываемых угольных 
пластах, выдается на дневную поверхность в добытом угле и остается в шахтах 
в потерянном угле. Доля теряемых объемов метана зависит от способов и 
средств его извлечения, систем разработки угольных пластов и схем проветривания выемочных участков. При существующих технологиях добычи 
угля, схемах проветривания горных выработок и дегазации углевмещающих 
толщ потери метана от потенциально возможных объемов его выделения в 
шахтах составляют в различных условиях в среднем 15–30%.
При проведении исследований [1, 5, 6] установлено, что ресурсы метана, рассчитанные по метаноносности разрабатываемых угольных пластов и 
определенные по ретроспективному методу, сопоставимы между собой, но 
в 6–8 раз меньше объемов метана, содержащегося в угленосных отложениях. Объемы метана, выделяющегося в горные выработки и дегазационные 
скважины, — реальные ресурсы, на которые следует ориентироваться при 
составлении проектов по добыче и использованию шахтного метана, прежде 
всего метана дегазации.
Анализ фактических данных свидетельствует о том, что в шахтах с дегазацией, составляющих треть метанообильных шахт, добывается 40–45% угля. 
При этом метановыделение в шахтах с дегазацией равно 75% объема всего 
шахтного метана. Дегазационными системами извлекается от 30 до 60% 
метана, выделяющегося в шахтах с дегазацией. Однако объемы использования каптируемого в российских шахтах метана явно недостаточны. Метан, 
выдаваемый из шахт вместе с рудничным воздухом, вовсе не используется. 
Поэтому в атмосферу Земли ежегодно выбрасываются 1,5–1,6 млрд м3 

шахтного метана.

Таблица 1.1

Ресурсы угольного метана в геолого-промышленных Томь-Усинском 
и Мрасском районах Кузбасса

Районы
Ресурсы угольного 
метана, трлн м3 

В том числе

в угольных 
пластах 
во вмещающих породах 
и пропластках угля 

Томь-Усинский 
Мрасский
2,6 
0,93
1,0
0,29 
1,6 
0,64
ИТОГО
3,53
1,29
2,24

Перспектива извлечения метана на действующих шахтных полях есть в 
Кузбассе и в меньшей степени в Воркутском месторождении. Сроки отработки угольных пластов и попутной добычи шахтного метана в этих регионах в 
среднем могут составлять соответственно 100 и 30 лет. По объемам реальных 
ресурсов шахтного метана, в том числе каптируемого, большие перспективы 
имеются в Кузнецком бассейне. Но в настоящее время средние показатели 
эмиссии метана и его извлечения средствами дегазации, отнесенные к одной 
шахте, наиболее предпочтительны в Воркутском месторождении: каптаж 
метана на отдельных шахтах достигает 25–30 м3/т при их относительной 
метанообильности 50–60 м3/т.
Под эффективностью дегазации понимается отношение количества метана, извлеченного за определенное время средствами дегазации, к общему 
объему метана, выданного за то же время на дневную поверхность средствами вентиляции и дегазации. Этот показатель необходим для анализа 
шахт отрасли и основных угольных бассейнов по метану как газообразному топливу, а также с целью экологической оценки состояния атмосферы 
Земли по выбросам шахтного метана. Наиболее высок этот показатель в 
Воркуте, где средняя объемная доля метана в каптируемой газовоздушной 
смеси составляет 35–40%, что выше нижнего предела (25%), установленного для случаев использования метана в промышленных условиях методом 
сжигания [3]. В остальных бассейнах и в целом по отрасли средняя концентрация метана в каптируемой смеси на половине вакуумных станций 
ниже нормы, что свидетельствует о наличии шахт, дегазационные системы 
которых функционируют непроизводительно, с нарушением технологии 
ведения дегазационных работ, главным образом, из-за неэффективности 
выбранных способов и параметров дегазации источников метановыделения 
и низкого качества герметизации устьев скважин.
На шахтах с низкой продуктивностью дегазационных систем необходима разработка и реализация новых технических решений, направленных 
на повышение объемов извлечения метана и его использования. Прирост 
показателей дегазации в угольных шахтах на ближайшие годы при существующих технологиях добычи угля, техники и технологии извлечения метана 
дегазационными системами возможен в 1,3–2 раза: 1,3 — в Воркуте, 2 — в 
Кузбассе. Это достижимо, прежде всего, за счет внедрения более эффективных способов и параметров дегазации источников метановыделения, 
повышения концентрации метана в каптируемой газовоздушной смеси 
благодаря своевременному бурению и качественной герметизации устьев 
скважин, хорошей организации ведения дегазационных работ для добычи 
и использования метана угольных месторождений.
Стремление к наиболее полному использованию природных энергетических ресурсов привело к пересмотру роли дегазации на угольных шахтах. 
На дегазацию необходимо смотреть не только как на средство повышения 

безопасности горных работ, но и как на способ добычи метана с последующим его использованием в хозяйственных регионах. Дегазация — это, 
прежде всего, способ снижения газообильности горных выработок, преследующий совместно с вентиляцией повышение производительности шахт по 
углю с гарантией безопасности ведения горных работ. Утилизация шахтного 
метана к тому же существенно снижает объемы вредных выбросов газа в 
атмосферу нашей планеты.
Опыт работы шахт России с высокой газообильностью выработок указывает на то, что применение методов извлечения метана из различных источников его выделения [1, 3, 5–7] одновременно снижает риск формирования 
взрывоопасных метановоздушных смесей и сокращает выбросы метана в 
земную атмосферу при его утилизации. Добываемый специальными способами или попутно с добычей угля метан позволяет в отдельных случаях 
рассматривать угольное месторождение как газоугольное и со значительным 
экономическим эффектом дополнительно к углю использовать шахтный 
метан как экологически чистый энергоноситель.
Практика ведения дегазационных работ по известным технологиям [3] 
показывает, что наиболее эффективная дегазация угольных пластов может 
быть осуществлена в случае, если в коллекторе газа нарушено природное 
равновесное состояние системы уголь–метан и образована искусственная 
трещиноватость угольного массива. Кроме того, метан может извлекаться 
из неразгруженных угольных пластов за счет их естественной (природной) 
газопроницаемости, а также с применением средств воздействия на угольный 
массив для повышения его газоотдачи. Поэтому в зависимости от продолжительности проведения дегазационных работ могут быть применены схемы 
предварительной или текущей дегазации. В первом случае дегазация угленосной 
толщи производится из угольных пластов, не подверженных разгрузке от 
горного давления. Дегазация осуществляется через скважины из подземных 
выработок или скважин, пробуренных с земной поверхности, чаще всего с 
гидровоздействием [8]. Текущая дегазация углепородных массивов осуществляется непосредственно в зонах влияния горных работ, т.е. с использованием 
эффекта разгрузки углепородного массива как наиболее мощного по сравнению с другими способами энергетического воздействия на горный массив.
Извлечение метана из углепородного массива, нарушенного горными 
работами, осуществляется, прежде всего, из подрабатываемых и надрабатываемых пластов и пропластков угля. Параметры расположения скважин (длина, 
углы заложения и др.) выбираются исходя из зависимостей, учитывающих 
процессы сдвижения пород [3], которые в каждом конкретном случае имеют 
свои особенности, что обусловливает необходимость проведения опытных 
работ в шахтах для типичных групп условий с последующим тиражированием полученных результатов на другие аналогичные по горно-техническим 
условиям шахты.

Основные требования, предъявляемые к способам и средствам извлечения метана для обеспечения наибольшей эффективности и повышения 
безопасности ведения горных работ, заключаются в следующем:
наличие достоверных данных о газоносности пластов, их газоотдаче 
и других горно-геологических условиях;
оценка возможных объемов и динамики извлечения метана;
выбор способов и средств дегазации с учетом природных, технологических и газодинамических факторов;
определение параметров, способов и схем эффективного извлечения 
метана из основных его источников;
реализация на практике проектов дегазации шахт и выемочных участков.
Важными моментами при составлении проектов дегазации шахт или 
выемочных участков являются прогноз фактического количества извлекаемой метановоздушной смеси, ее качества по метану и выбор потребителей 
каптируемого газа. В глубоких шахтах возникает необходимость в разработке и реализации способов интенсификации газоотдачи неразгруженных 
угольных пластов с обеспечением коэффициента извлечения метана не 
менее 50–60%.
Извлекаемую вакуум-насосными станциями метановоздушную смесь 
целесообразно использовать в энергетических установках. Основные положения по способам и средствам утилизации каптируемого метана изложены в РД-15-09–2006 [3], в котором учтен российский опыт извлечения, 
подготовки и использования метана угленосных толщ в промышленных 
теплоэнергетических установках, работающих на газовоздушных смесях с 
различными концентрациями в них метана.
Интенсификация процессов угледобычи в шахтах, как это предполагается 
осуществить в соответствии с программой развития угольной отрасли России, способствует существенному росту объемов выделения метана в горные 
выработки. В этих условиях приоритетными следует считать мероприятия, 
направленные на существенное перераспределение метановых потоков 
между вентиляционной и дегазационной системами шахт, со значительным 
повышением роли дегазации. Актуальным является прогноз объемов метановыделения и динамики газоотдачи угольных пластов, условий применения 
рациональных методов управления газовыделением и дегазации источников 
метановыделения как с точки зрения влияния степени дегазации угольных 
пластов и выработанных пространств на производительность и безопасность 
горных работ, так и на защиту окружающей среды от выбросов вредных 
газов в атмосферу. Их показатели могут быть высокими только при эффективных технологиях извлечения метана из разрабатываемых и сближенных 
угольных пластов [3].
Сложность вопросов борьбы с газом еще больше возрастает при разработке угольных пластов на глубоких горизонтах, поскольку с ростом 
глубины увеличивается метаноносность пластов угля, газообильность шахт 

−

−
−

−

−