Научные основы дегазации угольных шахт

В. С. Забурдяев




            НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ДЕГАЗАЦИИ УГОЛЬНЫХ ШАХТ


Монография




















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 622.2/333
ББК 33.31
     3-12


Рецензенты:
доктор технических наук Малинникова Ольга Николаевна;
доктор технических наук Коликов Константин Сергеевич




     Забурдяев, В. С.
3-12 Научные основы дегазации угольных шахт : монография / В. С. Забурдяев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 120 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1171-4

     Изучены вопросы ресурсов и объемов добываемого угля на метанообильных шахтах России, Карагандинского и Донецкого бассейнов, метаноносности пластов угля, метанообильности очистных забоев в условиях интенсивной разработки газоносных угольных пластов. Исследована интенсивность выделения метана на участках, оборудованных комплексно-механизированными забоями. Изучены процессы выделения метана в горные выработки, дегазационные скважины, участковые и шахтные дегазационные системы. Приведены данные по интенсивности выделения метана в высокопроизводительных угольных шахтах, параметры дегазации пластов угля.
     Для научных и инженерно-технических работников, студентов, аспирантов и соискателей научных степеней горного профиля.

                                                          УДК 622.2/333
                                                          ББК 33.31










ISBN 978-5-9729-1171-4

     © Забурдяев В. С., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

Светлой памяти член-корреспондента РАН РУБАНА Анатолия Дмитриевича посвящается

СОДЕРЖАНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ...........................................................5
1. РЕСУРСЫ И ДОБЫЧА УГЛЯ НА МЕТАНООБИЛЬНЫХ ШАХТАХ.....................7
2. МЕТАНОНОСНОСТЬ ПЛАСТОВ УГЛЯ НА ОЧИСТНЫХ УЧАСТКАХ..................25
2.1. Метаноносность угольных пластов.................................25
2.2. Зоны разгрузки сближенных угольных пластов......................31
3. ИНТЕНСИВНОСТЬ ВЫДЕЛЕНИЯ МЕТАНА НА ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКАХ.............................................................33
3.1. Модель выделения метана из отрабатываемого пласта в очистной забой.33
3.2. Интенсивность выделения метана из пласта в призабойное пространство лавы....................................................35
4. ДЕГАЗАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЯ НА УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ...............................................................43
4.1. Дегазация угольных пластов на угольных шахтах...................43
4.2. Извлечение и утилизация шахтного метана.........................47
5. ПОДГОТОВКА МЕТАНОНОСНЫХ ПЛАСТОВ УГЛЯ К ОТРАБОТКЕ.....................52
5.1. Технологические схемы ведения подготовительных выработок........52
5.2. Технологические схемы ведения очистных работ....................59
6. ВЫДЕЛЕНИЕ МЕТАНА ИЗ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
В ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ ВЫРАБОТКИ И ДЕГАЗАЦИОННЫЕ СКВАЖИНЫ...................67
6.1. Разрабатываемые пласты угля.....................................67
6.2. Динамика выделения метана в пластовые дегазационные скважины.......71
6.3. Метановыделение из неразгруженного угольного пласта в дегазационные скважины................................................80
6.4. Показатели дегазации угольных шахт.................................83
7. МЕТАНООБИЛЬНОСТЬ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ ШАХТ. КАТЕГОРИИ ОПАСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ШАХТ ПО МЕТАНУ.......................86
7.1. Выделение метана при очистной выемке угольных пластов...........86
7.2. Научное обоснование категории опасности угольных шахт по метану....87
8. ДЕГАЗАЦИЯ - СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ВЗРЫВООПАСНЫХ СИТУАЦИЙ НА УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ..........................................98
8.1. Вероятность взрывов метановоздушных смесей в шахтах.............98
8.2. Метановая травмоопасность на российских шахтах.................102
8.3. Требование к показателям эффективности дегазации угольных шахт.109
ВЫВОДЫ..............................................................113
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................114

4

ПРЕДИСЛОВИЕ


     Добыча угля в метанообильных шахтах сопровождается обильным выделением значительных объемов метана, усложняется процесс интенсивной работы очистной техники, показатели которой в газовых шахтах в несколько раз меньше, чем в негазовых шахтах и шахтах с низкими объемами выделения метана в горные выработки.
     Среднесуточная добыча угля в газовых шахтах России за последние 2530 лет увеличилась в 7-8 раз и достигла в комплексно-механизированных забоях на тонких пластах 5,0 тыс. т, в наиболее производительных метановых шахтах -10-15 тыс. т, в отдельных случаях - 25-30 тыс. тонн угля в сутки.
     Углубление горных работ и рост метаноносности пластов угля до 2025 м³/т с.б.м. способствуют интенсивному выделению метана в шахтах до 150165 м³/мин. Очистные забои работают с применением комплекса способов и схем дегазации разрабатываемых и сближенных пластов угля и выработанных пространств. Объемы каптируемого метана составляют 60-65 м³/мин на шахтах Кузбасса и 80-105 м³ метана на шахтах Воркутского угольного месторождения.
     Актуальны вопросы разработки методов управления газовыделением на выемочных участках высокопроизводительных метанообильных шахт, изучения условий формирования метановых потоков в шахтах и взрывоопасных ситуаций, методов оценки вероятности взрывов метанопылевоздушных смесей при подземной добыче угля, причин возникновения аварий по факторам газа и пыли.
     Необходимы новые технологические решения по снижению объемов выделения метана в очистных забоях, прогнозы динамики роста объемов подземной добычи угля и газовыделений в метанообильных шахтах, поскольку 80 % шахт РФ являются потенциально метановзрывоопасными.
     Актуальны научное обоснование и внедрение новых способов и параметров дегазации основных источников метановыделения на высокопроизводительных выемочных участках, повышающих безопасность ведения горных работ по газовому фактору и снижающих вероятность возникновения взрывоопасных по газу ситуаций в шахтах.
     Положительные результаты достигаются путем обобщения передового опыта работы шахт при отработке газоносных пластов угля, внедрения в практику новых высокоэффективных технологических решений по снижению объемов выделения метана в шахтах и предотвращения взрывоопасных ситуаций.

5

     Исследования выполнены в Институте проблем комплексного освоения недр им. академика Н. В. Мельникова Российской Академии наук.
     Компьютерное оформление первичного текста монографии выполнено горным инженером-исследователем Т. В. Сабяниной, за что автор выражает ей благодарность.

6

1. РЕСУРСЫ И ДОБЫЧА УГЛЯ НА МЕТАНООБИЛЬНЫХ ШАХТАХ РОССИИ
     Основными угледобывающими бассейнами по подземной добыче угля являются Кузнецкий и Печорский, где проектная мощность действующих шахт России составляет 78,2 % от общей производственной мощности действующих предприятий по подземной добыче угля, балансовые запасы угля в этих бассейнах - 81,9 %, промышленные - 84 %, обеспеченность запасами угля - 4261,4 года.
     В наиболее перспективном Кузнецком бассейне как по запасам, так и по добыче угля подземным способом проектная производственная мощность составляет 59,6 %, балансовые и промышленные запасы угля - 70,1 % и 69,2 % соответственно.
     В Печорском угольном бассейне эти показатели составляют: производственная мощность шахт - 18,6 %, балансовые запасы угля - 1133 млн т против 6725,5 млн т в Кузбассе, промышленные запасы - 828,9 млн т, против 3889,8 в Кузбассе. Шахты Воркуты самые глубокие в России, отдельные из которых превысили километровую отметку. Газоносность пластов различная.
     Обеспеченность промышленными запасами угля в различных регионах России составляет от 30 до 65 лет, а на отдельных предприятиях угледобывающих компаний, причем на газоносных месторождениях, от 25 до 140 лет [1-3].
     Угольные месторождения России наиболее метанообильные в мире. Ме-таноносность пластов при марках углей от бурых до антрацитов (А8-А9) возрастает от 2-4 до 38-42 м³/т с.б.м. Показательными в этом плане являются угольные пласты Кузбасса: изменение природной метаноносности пластов различных марок углей с глубиной залегания от верхней границы метановой зоны до глубин 1200-1800 м от 2 до 40 м³/т с.б.м. [2-4].
     Чем больше метаноносность угольных пластов, тем выше метанообиль-ность шахт. Наиболее производительные из них административно входили в состав АО «СУЭК», АО «ОУК «Южкузбассуголь», АО УК «Кузбассуголь», АО УК «Южный Кузбасс», АО ПО «Сибирьуголь», АО «Воркутауголь». В числе самостоятельных шахт - это ЗАО «Распадская», АО «Шахта Воргашорская» и шахта «Заречная», разрабатывающие преимущественно пологие угольные пласты.
     Горно-геологические условия разработки пластов угля Воркутского месторождения свидетельствуют о том, что 1) шахты наиболее глубокие в России, 2) рабочие пласты весьма сближенные, 3) пласты угля наиболее метаноносные и опасные по газодинамическим явлениям и горным ударам, 4) угли пластов опасны по взрывам угольной пыли, 5) кровли пластов труднообрушаемые.

7

     Пологое падение пластов и их мощность позволяют применять средства комплексной механизации. В Воркуте в настоящее время в работе 4 пласта (Мощный, Тройной, Четвертый и Пятый).
     В Кузбассе преобладает открытый способ добычи угля (до 75 % общей добычи угля в России). Динамика добычи угля приведена в табл. 1.1 [5].
     Исследования, выполненные в рамках проблемы комплексного освоения недр Земли и новых технологий извлечения полезных ископаемых из минерального и техногенного сырья, позволили оценить ресурсы метана газоносных месторождений России, определить метанообильность угольных шахт и количественные показатели метановыделения в шахтах при различных технологиях выемки пластов угля и способах управления газовыделением, сформулировать научные, организационные и технические задачи по концепции добычи метана на угольных шахтах, методическим основам и методике прогнозирования ресурсов метана и объемов его извлечения.


Т а б л и ц а 1.1
Динамика добычи угля в России открытым и подземным способами

       Добыча угля, млн т     Доля подземного
Год  Общая Открытым Подземным   способа, %   
           способом способом                 
2000 257,9  167,0     90,9         35,2      
2001 269,3  174,1     95,2         35,4      
2002 253,4  166,8     86,6         34,2      
2003 276,4  183,1     93,3         33,8      
2004 284,4  182,7     101,7        35,8      
2005 299,8  195,1     104,7        34,9      
2006 310,0  201,3     108,7        35,1      
2007 314,1  204,5     109,6        34,9      
2008 328,9  224,0     104,9        31,5      
2009 302,6  195,2     107,4        35,5      
2010 323,4  221,3     102,1        31,6      
2011 336,7  235,8     100,9        30,0      
2012 354,8  248,9     105,9        29,8      
2013 352,0  250,7     101,3        28,8      
2014 358,2  252,9     105,3        29,4      
2015 373,3  269,7     103,6        27,8      
2016 385,7  281,1     104,6        27,1      
2017 408,9  303,5     105,4        25,7      
2018 441,9  332,5     109,4        24,8      
2019 441,4  334,1     107,3        24,3      

8

     Многолетними исследованиями, проведёнными в различных угольных бассейнах России и других стран СНГ, изучены вопросы генезиса газов угольных месторождений, их химический состав, условия миграции газов в угленосных отложениях, установлены основные физико-химические факторы, обусловливающие коллекторские свойства углей и пород, а также решены многие вопросы выделения газов в горные выработки шахт. Результаты труда ученых и геологов нашли отражение в нормативно-методическом документе «Инструкция по определению и прогнозу газоносности угольных пластов и вмещающих пород при геологоразведочных работах» [6] и «Инструкции по дегазации угольных шахт» [7].
     Угленосные отложения в бассейнах и месторождениях России, так же, как и в углегазовых месторождениях других стран мира, характеризуются преимущественно неравномерным распределением газоносности, геологические условия весьма разнообразны для образования газосодержащих отложений.
     Угленосность и степень метаморфизованности углей России крайне изменчивы: наблюдается довольно резкое изменение метаморфизма углей, встречаются слабометаморфизованные антрациты, преобладают угли средних стадий метаморфизма. С ростом метаморфизма углей возрастает газоносность угольных пластов. Угольные пласты, сложенные углями марки Г, имеют максимальные значения газоносности до 12-15 м³/т с.б.м., пласты с марками углей К и ОС -от 15 до 32 м³/т с.б.м. (табл. 1.2).


                                                        Т а б л и ц а 1.2 Изменение метаноносности угольных пластов от марки углей

Марка угля Метаноносность угольных
            пластов, м3/т с.б.м.  
    Б                2-4          
    д                4-8          
    Г               8-12          
    ж               12-15         
    К               15-26         
    ОС              26-32         
    Т               32-38         
  А8-А9             38-42         
  Аю-Ли             42-2          
 А12-А14             2-0          

     Метаноносность угольных пластов зависит от геологических факторов, в числе которых основными являются история геологического развития бассейнов, тектоническое строение месторождения, угленосность отложений, петро

9

графический состав углей, литологический состав и коллекторские свойства вмещающих пород, а также характер покровных отложений, гидрогеологические условия, многолетняя мерзлота и пр. Практическое значение из них на объемы содержания метана в угленосных отложениях настоящего времени имеют тектоника месторождения, угленосность отложений, петрографический состав углей и коллекторские свойства пород [3, 5].
      При прочих равных условиях на одних и тех же глубинах метаноносность угольных пластов в закрытых осевых частях антиклиналей и в примыкающих к ним зонах более высокая, чем в моноклиналях и крыльях складок, в которых пласты имеют выход под наносы. Крутозалегающие пласты деметанизируются на большую глубину по вертикали, чем пологие.
      Влияние петрографического состава углей на метаноносность угольных пластов проявляется в газовых, жирных и коксовых углях, метаноёмкость которых увеличивается по мере повышения содержания в них фюзинита. Петрографический состав длиннопламенных, тощих и более метаморфизованных углей на их метаноносность оказывает менее заметное влияние. Повышенное содержание микрокомпонентов группы витринита способствует увеличению числа трещин в угле и повышению его газопроницаемости. Более высокое содержание фюзинита в углях увеличивает их сорбционную метаноёмкость.
      Влияние глубины залегания пластов угля и марки углей на фактическую метаноносность пластов при различной глубине верхней границы метановых газов на примере Кузнецкого бассейна приведено в табл. 1.3. Природная метаноносность углей увеличивается от длиннопламенных до коксующихся и снижается от коксующихся до антрацитов. При этом с глубиной залегания пластов метаноносность углей всех марок в Кузбассе возрастает.

Т а б л и ц а 1.3

Изменение метаноносности углей Кузбасса в зависимости от стадии их метаморфизма (марки углей) и глубины залегания

           Глубина      Природная метаноносность угля (м3/т г.м.)     
Марка     залегания                   на глубине(м)                   
угля   верхней границы  до 300 300-600  600-900  900-1200  1200-1800 
      метановой зоны, м                                              
д          65-225        2-10   11-15    14-18     16-20     17-21   
г          65-270        2-15   12-20    16-24     19-27     21-30   
ж          65-180        3-16   13-21    17-25     20-30     22-35   
К          100-370       3-17   15-25    20-30     23-34     25-38   
ос         70-300        3-13   12-20    18-28     21-34     22-36   
Т          70-300        4-15   12-24    17-28     22-35     25-40   
А          80-250        5-12   11-20    18-29     25-36       -     

10

      Анализ условий залегания угольных пластов и показателей добычи угля в России свидетельствует о следующем.
      Производство угля в России возрастало до 1988 г., после чего наблюдался существенный спад в объемах добычи угля, что было обусловлено проводившейся реструктуризацией угольной отрасли. С 1999 г. отмечен рост общего по стране производства угля и объемов его добычи подземным способом (табл. 1.4).

Т а б л и ц а 1.4

Динамика добычи угля в Российской Федерации

Год    Добыча угля, млн т     
     Всего Подземным способом
1985 395,2       191,5       
1988 425,4       196,8       
1990 395,4       175,9       
1991 353,3       140,5       
1992 335,8       146,6       
1993 305,3       134,1       
1994 271,3       119,1       
1995 262,8       110,5       
1996 255,0        99,9       
1997 244,4        91,9       
1998 232,3        85,7       
1999 249,1        86,1       
2000 258,4        87,1       
2001 269,3        92,7       
2002 253,4        87,5       
2003 275,6        94,1       
2004 283,0       101,7       
2005 299,9       104,7       
2006 309,0       109,0       
2007 314,1       109,6       
2008 328,9       104,9       
2009 302,6       107,4       
2010 323,4       102,1       

11