книги из ГПНТБ / Морев, А. М. Дегазация угольных шахт и использование метана

2)подготовленных к выемке угольных пластов выра­ ботками;

3)угольных пластов с применением гидравлического расчленения через скважины, пробуренные с поверх­ ности;

4)угольного и породного массива при проходке под­ готовительных выработок и строительстве шахт;

5)спутников угольных пластов скважинами, пробу­

ренными из горных выработок;

6)спутников угольных пластов выработками;

7)спутников угольных пластов и выработанных про­ странств скважинами, пробуренными с поверхности;

8)выработанного пространства короткими скважи­

нами;

9)выработанного пространства скважинами в соче­

тании с изоляцией его пенопластом;

10) выработанного пространства путем отсасывани метановоздушной смеси вентиляторами.

Дегазация скважинами подготовленных к выемке угольных пластов, неразгруженных от горного давления.

20

определенном расстоянии друг от друга. Согласно ре­ зультатам последних исследований наиболее эффектив­

трудно осуществить. Обычно предпочтение отдается вос­ стающим скважинам, так как скорость бурения их при­ мерно в 1,5 раза выше, чем нисходящих, и газ из них вы­ деляется сразу же после окончания бурения, тогда как нисходящие скважины требуют времени на осушение., Эффективность дегазации восстающими скважинами при разработке пластов Воркутинского и Карагандинского месторождений в 1,1— 1,5 раза выше, чем нисходящи­

ми [13].

Диаметр скважин по пласту рекомендуется выбирать в пределах 60— 150 мм. Изменение диаметра в указан­ ных пределах на эффективность и продолжительность де­ газации существенно не влияет.

При столбовой системе разработки длина скважин принимается на 10— 15 м меньше длины лавы. Как пра­ вило, скважины бурят длиной около 100 м. Поэтому при большой длине лав их бурят с двух сторон. Скважины должны находиться в работе не менее 6 месяцев. После отключения от газопровода их можно использовать для нагнетания воды в пласт, что способствует снижению газовыделения в горные выработки и уменьшению пылеобразованпя в процессе выемки угля.

Интенсивность метановыделения из скважины (дебит метана скважины, отнесенный к единице ее полезной длины и единице мощности пласта) в основном зависит от времени ее функционирования, изменения напряже­ ний в массиве угля, вызываемого приближением лавы, и от газоносности пласта. Общее количество газа, извле­ ченного скважиной, слагается из метановыделений в зо­ нах природной газопроницаемости пласта, т. е. в зонах, не подверженных влиянию очистной выемки — опорного давления, разгрузки. В последней зоне происходит неко­ торое увеличение газовыделения. Для условий Донбасса активный период дренирования составляет 6—8 месяцев, а в некоторых случаях до одного года. При таком време­ ни работы скважины суммарные газовыделения из нее, подсчитанные без учета и с учетом изменения интенсив­ ности метановыделения в зонах опорного давления и

21-

разгрузки, существенно не отличаются друг от дрѵга

[14,2].

Эффективность дегазации угольных пластов скважи­ нами, как I! других способов, более правильно опреде­ ляется отношением снижения среднего мстаиовыдслеипя из пласта в результате его дегазации к газовыделеншо из него без применения дегазации, при этом нагрузка на очистной забой и горнотехнические условия не должны существенно отличаться:

где g — эффективность дегазации, доли единицы;

q x и q 2 — соответственно метановыделепне из пласта до и после дегазации, м31тили м31мин.

Возможная эффективность дегазации может быть рассчитана по формулам, которые построены с учетом влияния основных факторов на снижение газовыделенпя из пласта — параметров скважин (длина и расстояние между ними) и времени их работы. Фактическая эффек­ тивность дегазации может быть определена путем газо­ вых съемок на участке пли по данным о мстановыделе-

ииииз скважин.

Винженерных расчетах при проектировании шахт эффективность дегазации не рассчитывается, а прини­

мается 0,25—0,40. Такая эффективность обеспечивается в Донбассе при расстоянии между скважинами около 10 м и времени их работы не менее б месяцев.

Дегазацию неразгруженных пластов скважинами рекомендуется применять в тех случаях, когда возмож­ ности вентиляции исчерпаны, а газовыделенпе из разра­ батываемого пласта составляет более 2,5 м31мин [12]. Более правильным будет принятие решения о дегазации пласта на основании технико-экономического расчета, так как установление целесообразности дегазации, по данным только о метановыделении, не учитывает сроков окупаемости капитальных затрат на дегазацию.

Дегазация угольных пластов выработками. Этот спо­ соб дегазации осуществляется путем проведения специ­ альных выработок по угольному пласту. По окончании этого процесса выработки изолируются специальными перемычками, через которые пропускается газопровод для отсасывания метана вакуум-насосом. Эффективная

22

разработке высокометаморфизпрованных углей. Дегаза­ ция угольных пластов выработками требует значитель­ ных капитальных затрат задолго до начала выемки. Кро­ ме того, при этом способе дегазации осложняется приме­ нение высокопроизводительных выемочных машин при переходе их через дегазационные выработки. По этим причинам дегазация неразгруженных пластов специаль­ ными выработками не получила промышленного приме­ нения на шахтах СССР.

В определенных условиях существенное значение имеет дегазация угольного массива подготовительными выработками, газовыделение в которых достигает 5—б мУлши и составляет около 30% общего выделения метана в шахтах [15]. Газ, выделяющийся в подготови­ тельную выработку, не улавливается. Существенной де­ газация массива этим способом бывает при столбовой системе разработки. Процесс газовыделенпя в подгото­ вительные выработки не является бесконечным и продол­ жается примерно 6—7 месяцев.

Дренирующее действие подготовительных выработок оценивается по среднему снижению газоносности пласта, которое принимается равным отношению суммарного метановыделенпя в выработки, оконтуривающие массив, к общим запасам газа в этом массиве. Если учесть, что газовыделение резко возрастает в момент работы вы­ емочного агрегата, то ясно, что такая оценка степени де­ газации массива подготовительными выработками яв­ ляется очень приближенной, так как в основном массив дегазируется у границы с оконтуривающими выработ­ ками.

Дегазация угольных пластов с применением гидрав­ лического расчленения через скважины, пробуренные с поверхности. Дегазация угольных пластов скважинами и подготовительными выработками совмещается с процес­ сами подготовки и выемки угля. Кроме того, для суще­ ственного дренирования массива необходимо длительное время. Эти обстоятельства не всегда позволяют обеспе­ чивать желаемое снижение газовыделенпя в горные вы­ работки при скоростном подвиганин очистных забоев. Поэтому заманчивы способы дегазации, основанные на

23

создании условий для повы­ шенной газоотдачи из пласта путем увеличения его прони­ цаемости.

Одни из таких способов — заблаговременная дегазация путем направленного гидрав­ лического расчленения пластов (НГРП) через скважины, про­ буренные с поверхности [6]. Дегазационные работы в этом случае проводятся при отсут­ ствии горных работ, н поэтому срок дегазации практически нс ограничен.

Для осуществления такой дегазации с поверхности бурят скважины, пересекающие угольные пласты в районе предстоящих горных работ (рис. 4). Скважины обсажи­ ваются на всю глубину труба­ ми с цементацией затрубиого пространства. В местах пере­ сечения скважины с пластами создается начальная полость (щель) высотой 30—40 мм, ра­ диусом 1—3 м. Гпдрорасчлененне пласта достигается путем введения рабочей жидкости че­

рез круглую полость в темпе, превышающем естествен­ ную приемистость пласта. Считается, что этот процесс со­ провождается раскрытием и расширением пластовых тре­ щин, что приводит к резкому увеличению проницаемости. По данным Н. В. Ножкина, гидрорасчленение начинает­ ся при давлении в забое скважин Р "=0,12Н , атм, где И — глубина залегания пласта. При развитии процесса расчленения давление достигает величины Д °=0,25Я ,

атм.

Высокий темп непрерывной закачки жидкости и боль­ шой объем с постепенным нарастанием расхода обеспе­ чивают раскрытие трещин протяженностью 100 м и более. После гидрорасчленения жидкость откачи­ вается из скважины. Способ гидрорасчленения испыты­

24

вался в Караганде. Проводятся эксперименты и в Дон­ бассе.

Согласно данным Н. В. Ножкина по опытам в Кара­ ганде, отвечающим условиям гидрорасчленения, средний съем газа составил 5—6 м31т или 20—30% от газонос­ ности пластов. Съем 2 м3 метана на тонну запасов до­ стигнут через 8— 16 месяцев эксплуатации скважин. Среднесуточный дебит метана каждой скважины был не­ одинаков и составлял вне зоны влияния очистных работ от 493 до 3723 м3.

Дегазация угольного и породного массивов при про­ ведении выработок и строительстве шахт. При проведе­ нии выработок по газоносным угольным пластам и поро­ дам газовыделение может достигать существенных ве­ личин. Особенно оно возрастет у геологических наруше­ нии при проведении выработки вблизи угольного пласта или непосредственно по пласту. Количество выделяюще­

ление в подготовительные выработки проявляется в ви­ де суфляров.

Высокая метанообилыюсть выработок затрудняет применение прогрессивной техники и сдерживает темпы их проведения.

Наиболее эффективным методом борьбы с газом в этом случае считается дегазация окружающего породно­ го или угольного массива. Принято, что дегазацию в под­ готовительных и капитальных выработках при строи­ тельстве шахт целесообразно применять при газовыделснии более 3 м31мин. В зависимости от расположения источника метановыделения возможны различные схемы дегазации. Наиболее распространенна схема дегазации угольного массива при помощи скважин, которые бурят из ниш, расположенных по бокам выработки (рис. 5). В таких случаях угол между осью выработки и дегазацион­ ной скважиной обычно составляет 3—7°. Для повышения эффективности дегазации из каждой ниши бурят две— три скважины. Длину скважин выбирают исходя из опы­ та от 25—30 до 50—60 м. Расстояние между нишами обычно на 10— 15 м меньше длины скважины. Метан из угольного массива, прилегающего к выработке, выде­ ляется в той части пласта, в которой нарушается естест­ венное его состояние и раскрываются дополнительные трещины. В первый период происходит интенсивное рас-

25

а — выработки по углю; б — парных выработок; о — квер­ шлагов; I — скважины; 2 — газопровод; 3 — пиши.

пространств зоны дегазации в глубь массива, примерно за 10 суток эта зона увеличивается до 6—7 м.

Зона активного газового дренажа вокруг подготови­ тельной выработки распространяется в глубь массива не­ сравненно дальше, чем-зона деформированного угля. По­ этому дегазационные скважины, расположенные в пре­ делах зоны деформаций пласта и после, будут перехва­ тывать потоки газа из удаленных частей пласта и на­ правлять в дегазационную систему. При проходке пар­ ных выработок дегазационные скважины чаще всего бу­ рят из каждой выработки в одну сторону (рис. 56). Од­ нако при ширине целика, оставленного между выработ­ ками, более 15 м целесообразно бурить скважины с каж­ дой стороны выработки. Схемы дегазации при проходке наклонных выработок принципиально не отличаются от схем дегазации горизонтальных.

26

В полевых выработках, выше которых расположен угольный пласт, часто наблюдается обильное выделение метана. Наиболее эффективным способом борьбы с га­ зом в этих случаях является дегазация пласта пересе­ кающими скважинами. Такой способ дегазации приме­ няется при расстоянии от кровли выработки до пласта нс более 10— 12 м, так как при больших расстояниях не происходит разгрузка пласта от горного давления, и газовыделение в выработку при отсутствии в кровле тре­ щиноватых пород незначительно.

При проходке выработок по газоносным породам де­ газация их осуществляется скважинами, которые бурят по бокам выработки (рис. 5в). Угол между скважиной и осью выработки составляет 10—30°, а длина скважин принимается до 50 м.

Описанные схемы дегазации широко распространены в СССР II за рубежом. В СССР дегазацию при проведе­ нии подготовительных п капитальных выработок в основ­ ном применяют в Донбассе [18, 17], Караганде [19] и Воркуте [15]. В Донецком бассейне этот способ дегаза­ ции применялся на шахтах «Томашевская-Юж- пая», «Мария-Глубокая», «Цеитральная-Псрвомайская», «Самсоновская» № 1 и др.

На шахтах Караганды при проведении выработок по мощным пластам метан выделяется в основном из частич­ но разгруженного угля под выработкой или над нею. Из боковых стенок выделяется 20—40%, а нз массива, при­ легающего к выработке сверху или снизу (выработки пройдены у почвы пласта или у кровли), — 60—80% от общего газовыделенпя. Суммарное количество газа, вы­ деляющегося в подготовительные выработки, нередко достигает 40—50% от метановыделения на участке или по шахте в целом.

Промышленное применение находит дегазация в под­ готовительных выработках Печорского бассейна, где они проводятся по мощным пластам и газовыделение в них достигает 5—6 мУмин. Исследованиями в этом бассейне установлено, что около выработки образуется трещино­ ватая зона, ширина которой по каждой стороне равна 2—3 м [15]. В пределах этой зоны при значительном раз­ режении скважины могут быть взаимосвязаны. Через стенки выработки в этой зоне в скважины подсасывается воздух. Поэтому для обеспечения высокой концентрации метана необходима обсадка скважин (шпуров) на глу-

бпну 0,5— 1 .и. На таком же расстоянии скважины долж­ ны располагаться и от стенки выработки.

Эффективность дегазации скважинами, пробуренны­ ми для снижения газовыделснпя из обнаженных поверх­ ностей J3 трещиноватой зоне, составляет 60—80%. Путем предварительной дегазации массива вне трещиноватой зоны снижение газовыделення из обнаженных поверх­ ностен и отбитого угля достигает 50—60%.

Большое распространение дегазация породного мас­ сива при проведении подготовительных выработок полу­ чила в последнее время в Польской Народной Республи­ ке. Здесь вмещающие породы представлены пористыми песчаниками. В квершлагах и полевых штреках, прово­ димых по этим песчаникам, метамовыделенпе составляет 12— 18 м31мин. Путем дегазации массива короткими сква­ жинами и шпурами метана отводится около 8— 10 м31мин.

В ЧССР также применяется дегазация окружающего трещиноватого породного массива. Во Франции при про­ ведении подготовительных выработок по трещиноватым породам в районе геологических нарушений наблюдает­ ся обильное метановыдсленпс в виде суфляров. Дегаза­ ция этих пород осуществляется скважинами, пробурен­ ными веерообразно из боковых ниш. Эффективность сни­ жения метановыделення составляет 70—80%. По сква­ жинам одной выработки длиной 400 м метана отсасыва­ лось от 2 до 10 я 3!мин с содержанием его 75—80%.

Дегазация спутников угольных пластов скважинами, пробуренными из горных выработок. Важное место в борьбе с газом в угольных шахтах занимает способ дега­ зации спутников угольных пластов скважинами, предло­ женный профессором И. М. Печуком [8]. Высокая эффективность дегазации спутников обусловила сравни­ тельно широкое ее внедрение во всех бассейнах страны и за рубежом. Только в Донбассе она освоена на 83 шах­ тах п в дальнейшем еще может быть применена пример­ но на таком же количестве предприятий. Сведения о раз­ витии дегазации спутников скважинами на шахтах Дон­ басса приведены на рис. 6.

Известно, что производительность значительного ко­ личества участков шахт Донбасса лимитируется в основ­ ном газовыделением пз выработанного пространства, ко­ торое составляет 20—85% от общего газовыделення на участке. Причем от 20 до 70% метана, выделяющегося нз выработанного пространства, может поступать непосред-

23

90

2

80 |

СП

<

70 ш

Рис. 6. Развитие дегазации спутников угольных пластов скважинами на шахтах Донбасса:

жает газовыделенпе из этого источника в горные выра­ ботки (рис. 7, 8).

Ведение очистных работ вызывает процессы сдвиже­ ния горного массива и перераспределение напряжений в нем. В результате над выработанным пространством и под ним происходит разгрузка спутников угольных пла­ стов от горного давления, развитие трещиноватости и из­ менение проницаемости горных пород. Эти процессы создают условия для десорбции и перемещения метана из спутников в горные выработки и дегазационные сети. Поэтому возможности дегазации и параметры дегаза­ ционных систем определяются с учетом закономерностей процесса сдвижения горных пород во времени и в про­ странстве.

Многочисленными наблюдениями установлено, что га­ зовыделенпе существенно возрастает после подработки

29