Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. цели и задачи исследований 9
1.1 Анализ горно-геологических и горнотехнических условий отработки угольных пластов на шахтах Кузбасса 9
1.2 Анализ технологических схем интенсивной отработки пластов на шахтах РФ 17
1.3 Обзор мирового опыта интенсивной отработки пластов 22
1.4 Анализ способов управления газовыделением при интенсивной отработке пластов 29
1.5 Выводы по главе 40
2 Натурные исследования влияния параметров технологических схем на эффективность управлениягазовыделением на выемочных участках 42
2.1 Выбор методики проведения исследований и характеристика объекта. 42
2.2 Исследование неравномерности метановыделения при интенсивной отработке выемочных участков на шахте «Котинская» АО «СУЭК-Кузбасс» 47
2.3 Исследование влияния параметров скважин и ППДУ на эффективность управления газовыделением 51
2.4 Исследование влияния технологических параметров на газовый баланс при интенсивной отработке выемочных участков на шахте «Котинская» АО «СУЭК-Кузбасс» 55
2.5 Выводы по главе 62
3 Экспериментально-аналитические исследования влияния параметров технологических схем на эффективность управления газовыделением на выемочных участках 64
3.1 Выбор программного комплекса для проведения численных исследований и построение численной модели 64
3.2 Исследование влияния способа подготовки выемочных участков на эффективность управления газовыделением 74
3.3 Оценка влияния параметров заложения промежуточного штрека на эффективность управления газовыделением 82
3.4 Исследование влияния параметров способов управления газовыделением на показатель максимальной нагрузки на очистной забой по газовому фактору 88
3.5 Выводы по главе 92
4 Обоснование технологических схем интенсивной отработки пологих пластов на шахтах АО «СУЭК КУЗБАСС» 94
4.1 Обоснование параметров способа подготовки выемочных участков 94
4.2 Обоснование параметров управления газовыделением на выемочных участках 99
4.3 Экономическая оценка разработанных рекомендаций 103
4.4 Выводы по главе 109
Заключение 110
Список литературы
- Обзор мирового опыта интенсивной отработки пластов
- Исследование неравномерности метановыделения при интенсивной отработке выемочных участков на шахте «Котинская» АО «СУЭК-Кузбасс»
- Исследование влияния способа подготовки выемочных участков на эффективность управления газовыделением
- Обоснование параметров управления газовыделением на выемочных участках
Введение к работе
Актуальность работы. Увеличение глубины ведения
горных работ, повышение нагрузок на очистные забои приводит к
росту газообильности выемочных участков. В таких условиях
управление газовыделением средствами вентиляции, дегазации и
изолированного отвода метановоздушной смеси не всегда позволяет
снять ограничения нагрузок на очистные забои по газовому фактору.
При наличии в шахте лишь одного очистного забоя существенно
возрастают убытки от неполного использования возможностей
современного горного оборудования. Значительная часть метана в
выработки выемочных участков поступает из выработанного
пространства. В то же время, применяемые на шахтах Кузбасса
схемы отвода метановоздушной смеси из выработанного
пространства с помощью поверхностных модульных дегазационных установок (МДУ) через скважины, пробуренные с поверхности, требуют больших затрат и не обеспечивают необходимого уровня устойчивости управления газовыделением. С увеличением глубины ведения работ такие схемы становятся еще более затратными и менее устойчивыми.
Вопросы отработки газоносных угольных пластов и
управления метановыделением на выемочном участке рассмотрены
в работах Айруни А.Т., Забурдяева В.С., Казанина О.И., Калединой
Н.О., Качурина Н.М., Коршунова Г.И., Мельника В.В., Мясникова
А.А., Пучкова Л.А., Рубана А.Д., Сластунова С.В., Шувалова Ю.В. и
др. По результатам исследований разработаны нормативные
документы, регламентирующие вопросы проектирования способов и
средств управления газовыделением. В тоже время, в условиях
интенсивной отработки угольных пластов в режиме «шахта-лава»
технические возможности современного оборудования в ряде
случаев ограничиваются газовым фактором, а средства управления
газовыделением не позволяют снять данные ограничения.
Поскольку большинство шахт РФ отрабатывают газоносные
угольные пласты, все большее количество предприятий переходит
на режим «шахта-лава» и вопросы обоснования параметров
технологических схем, обеспечивающих эффективность и
безопасность отработки пластов в таких условиях, являются актуальными.
Цель работы. Разработка технологических схем,
позволяющих снять ограничения нагрузок на очистные забои по газовому фактору при интенсивной отработке пологих газоносных пластов шахт Кузбасса, обеспечивающих эффективность управления газовыделением без использования поверхностных дегазационных установок.
Идея работы. Эффективное управление газовыделением,
обеспечивающее снятие ограничений нагрузок на очистные забои по
газовому фактору без использования МДУ достигается при
использовании технологических схем подготовки выемочных
участков спаренными выработками и промежуточным штреком,
параметры заложения которого определяются на основе
моделирования аэрогазодинамических процессов на выемочном участке.
Основные задачи исследований:
1. Анализ мирового опыта интенсивной отработки
газоносных угольных пластов.
2. Натурные исследования влияния параметров
технологических схем на эффективность управления
газовыделением на выемочном участке.
-
Экспериментально-аналитические исследования влияния способов управления газовыделением и режимов проветривания, при различных параметрах технологических схем на нагрузки на очистной забой.
-
Разработка рекомендаций по определению параметров технологических схем при отработке газоносных угольных пластов в режиме шахта-лава.
5. Оценка эффективности и определение области
применения разработанных рекомендаций.
Методы исследований. Для решения поставленных задач
использован комплексный метод, включающий обобщение и анализ
теории и практики отработки газоносных пластов длинными
столбами; натурные исследования влияния параметров
технологических схем на эффективность управления
газовыделением на выемочном участке; экспериментально-аналитические исследования влияния параметров технологических схем на эффективность газоуправления на выемочном участке; компьютерная обработка данных.
Научная новизна:
Установлены нелинейные зависимости допустимых нагрузок на очистные забои по газовому фактору от параметров технологических схем, проветривания и дегазации при интенсивной отработке пологих газоносных угольных пластов.
Установлены зависимости затрат на управление газовыделением от глубины ведения работ при использовании МДУ и скважин, пробуренных с поверхности, а также при проведении промежуточного штрека для подсвежения струи воздуха в лаве для условий шахты «Котинская» АО «СУЭК-Кузбасс».
Основные защищаемые положения:
-
При интенсивной отработке пологих газоносных угольных пластов Соколовского месторождения длинными забоями изолированный отвод метановоздушной смеси через скважины, пробуренные с поверхности, с помощью МДУ не обеспечивает эффективного управления газовыделением на достигнутых глубинах при нагрузках на очистные забои 15000 т/сут и более.
-
Снятие ограничений нагрузки на очистные забои по газовому фактору для условий Соколовского месторождения без использования МДУ обеспечивается при использовании технологических схем подготовки выемочных участков спаренными выработками и промежуточным штреком, который проводится для подсвежения воздуха в лаве на расстоянии не более 70 м от конвейерного штрека и погашается после прохода лавы.
-
Выбор технологических схем интенсивной отработки пологих газоносных пластов определяется соотношением затрат на управление газовыделением, обеспечивающим снятие нагрузок на очистные забои по газовому фактору. Для условий Соколовского месторождения схемы с отказом от бурения скважин с поверхности в выработанное пространство и переходом на схемы с промежуточным штреком становятся предпочтительными при
глубине ведения работ более 220 м и нагрузках на очистные забои более 12000 т/сут.
Практическая значимость работы:
Разработана технологическая схема с применением промежуточного штрека, обеспечивающая эффективность управления газовыделением и позволяющая отказаться от бурения скважин с поверхности в выработанное пространство.
Разработаны рекомендации по выбору расположения и размеров сечения промежуточного штрека для управления газовыделением на выемочном участке.
Разработаны рекомендации по выбору параметров проветривания выемочного участка с помощью двух воздухоподающих выработок и изолированного отвода метановоздушной смеси.
Достоверность и обоснованность научных положений и
рекомендаций. Достоверность защищаемых положений, основных
выводов и рекомендаций обеспечивается представительным
объемом данных натурных наблюдений, использованием
современных апробированных методов исследований;
удовлетворительной сходимостью результатов натурных и численных исследований.
Апробация работы. Основные положения диссертационной
работы докладывались на: международной конференции по
проблемам горной промышленности, строительства и энергетики
«Социально-экономические и экологические проблемы горной
промышленности, строительства и энергетики» (Тула, 2014г.);
международной научно-практической конференции
«Промышленная безопасность предприятий минерально-сырьевого комплекса в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2014г.); международной научно-практической конференции « Горное дело в XXI веке: технологии, наука, образование» (Санкт-Петербург, 2015г.), научных семинарах кафедры разработки месторождений полезных ископаемых Национального минерально-сырьевого университета «Горный» (2014-2015 гг.).
Личный вклад автора. Сформулированы цель и задачи исследований, выбраны методики и проведены экспериментально-
аналитические и натурные исследования, обобщены результаты исследований, сформулированы основные научные положения и выводы.
Публикации. Основные результаты исследований
опубликованы в 3 печатных работах, из них 2 - в изданиях из Перечня, рекомендуемого ВАК Минобрнауки России
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 121 странице машинописного текста состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 93 источников, включает 69 рисунков и 11 таблиц.
Обзор мирового опыта интенсивной отработки пластов
На шахтах Кузбасса, производящих отработку пологих угольных пластов, наибольшее распространение получила столбовая система разработки при которой подготовительные и очистные работы разделены в пространстве и времени. Участковые подготовительные выработки поддерживаются в массиве полезных ископаемых, по мере отработки выемочного столба длина поддерживаемой части этих выработок, как правило, сокращается. Заблаговременное проведение подготовительных выработок обеспечивает доразведку пласта в пределах выемочного столба и создаёт условия для проведения его дегазации, осушения. Указанные особенности делают столбовые системы разработки особенно эффективными при интенсивном производстве, когда очистные и подготовительные работы насыщены большим числом высокопроизводительных машин и механизмов. На долю этой системы приходится около 86% всего угля, добытого подземным способом (рисунок 1.4).
С каждым годом наблюдается повышение уровня концентрации горных работ и рост производительности очистных забоев. Стремительный рост нагрузок на очистные забои закономерно приводит к тому, что многие современные шахты переходят к структуре «шахта — лава», когда вся шахтная угледобыча сосредоточивается в одном высокопроизводительном очистном забое.
В этих условиях резко возрастают требования к качеству проектов подготовки и отработки выемочных участков, обеспечению требований промышленной безопасности [20].
В Кузбассе около 64% механизированных лав работают в условиях природной газоносности свыше 10 м3/т. В условиях, опасных по горным ударам, работают около 82% очистных забоев и 79% – в условиях, опасных по самовозгоранию угля. Обеспечение безопасной работы в таких условиях требует применение специальных мероприятий, направленных на их предотвращение, что ведёт к увеличению эксплуатационных затрат[53].
Поддержание на высоком уровне технико-экономических показателей, а также дальнейший рост производительности в условиях возрастания глубины ведения горных работ ограничены такими факторами, как горное давление, приток воды в горные выработки, повышенное метановыделение.
Все вышеперечисленные факторы оказывают существенное влияние на работу очистных забоев в частности и на всю шахту в целом. Следствием их негативных проявлений являются простои добычных и подготовительных участков, что приводит к значительным финансовым убыткам.
Из отечественной и зарубежной практики известно, что работа очистных забоев с высокой нагрузкой на высокогазоносных угольных пластах возможна только с применением высокоэффективной подземной дегазации выемочных участков в сочетании с применением эффективных схем проветривания[1,2,3,4,59,60,69]. В настоящее время на большинстве шахт РФ используются схемы подготовки выемочных участков спаренными выработками с оставлением неизвлекаемых ленточных целиков, что обеспечивает большую эффективность и безопасность горных работ по сравнению с бесцеликовыми схемами[5]. Длина лав в отдельных случаях превышает 300 метров, длина выемочных участков достигает 4000 и более метров. Схема разработки пологих пластов длинными столбами по простиранию при подготовке выемочных участков спаренными выработками. На момент начала очистных работ выемочный участок полностью оконтурен подготовительными выработками.
Вентиляционный штрек предназначен для выдачи исходящей вентиляционной струи воздуха из очистного забоя, доставки материалов и оборудования, перевозки людей, а также служит запасным выходом для людей, работающих в очистном забое.
Штреки имеют сечение в свету 16-18 м2, с использованием кровельных планок длиной и кровельных сталеполимерных анкеров. Шаг анкерного крепления – 1,0 м. Борта закреплены клинораспорными анкерами и перетянуты решетчатой затяжкой и сеткой «рабица». Конвейерный штрек служит для транспортировки горной массы, , подачи свежей струи воздуха в очистной забой, размещения электроаппаратуры и выхода людей из лавы. Данная схема применяется на самых производительных шахтах РФ, обеспечивающих среднесуточную нагрузку 8895т, при средней по стране 4267т. Использование данной схемы позволяет обеспечивать суточную добычу свыше 25тыс. тонн[75].
Выкопировка с плана горных работ шахты «Котинская» Также находит применение более прогрессивная схема многоштрековой подготовки выемочного участка с использование трех штреков с каждой стороны выемочного столба, обладающая большими возможностями управления газовыделением по сравнению с подготовкой спаренными выработками. Поскольку наличие трех параллельных выработок предопределяет оставление двух рядов ленточных целиков для их охраны, возможно использование целиков одинаковой или различной ширины. Например, один для работы в режиме заданных нагрузок, другой – в податливом режиме. Многоштрековая подготовка выемочного участка с использование трех штреков с каждой стороны выемочного столба позволяет сформировать схему его проветривания таким образом, что выход горнорабочих при возникновении аварии будет обеспечен практически при любой протяженности выемочного поля. Проведение дополнительных выработок в значительной степени уменьшает аэродинамическое сопротивление выемочного участка. Увеличение нагрузок на очистной забой ведет к повышению газовыделения как из разрабатываемого угольного пласта, так и из пластов-спутников[6,7,8,13,24,41,42,22,66,67]. Многоштрековая подготовка позволяет разделить газовые потоки, реализуется комбинированная схема проветривания, при которой свежий воздух на проветривание очистного забоя и выработанного пространства подается по двум выработкам.
Исследование неравномерности метановыделения при интенсивной отработке выемочных участков на шахте «Котинская» АО «СУЭК-Кузбасс»
Общая схема выемочного участка и управления газовыделением приведена на рисунке 2.2. Для дегазации выработанного пространства применяются скважины, пробуренные с поверхности в купол обрушения. Одновременно в работе находилось 5 скважин, подключенных к передвижным дегазационным установкам и суммарным расходом воздуха 230 м3/мин. Также в дегазации выработанного пространства выемочного участка участвуют сбоечные скважины, пробуренные через целик из конвейерного штрека. Сбоечные скважины подключены к дегазационному трубопроводу и подключены к вакуум-насосам на поверхности. - дегазационные скважины, пробуренные с поверхности в купол обрушения; 2 сбоечные скважины; 3 - погашенные скважины; 4 - дегазационный трубопровод
Схема управления газовыделением на выемочном участке Проведены натурные исследования аэрогазодинамических процессов при интенсивной отработке запасов выемочных участков в условиях шахты «Котинская». Выполнена обработка данных для условий выемочного участка 5210. Установлены зависимости средней абсолютной газообильности выемочного участка 5210 (с учетом газа извлекаемого с использованием дегазации) как в начальный период работы лавы (рисунок 2.3), так и для последующего "установившегося" режима метановыделения. Как видно из рисунка 2.3 до начала очистных работ абсолютное газовыделение на участке составляет 10-15 м3/мин и закономерно возрастает по мере отхода лавы от монтажной камеры. Рост абсолютного метановыделения на начальном этапе отработки запасов участка 5210 обусловлен постепенным развитием зон обрушения в выработанном пространстве и разгрузки с увеличением проницаемости горного массива и ростом метановыделения из пластов спутников: в первую очередь из надрабатываемого пласта 51 и подрабатываемого пласта 53. После обрушения основной кровли абсолютное метановыделение на участке достигает 35 м3/мин.
Дальнейшее увеличение абсолютного метановыделения в июне 2015 года связано с увеличением длины лавы (после прохождения участка с целиком у участкового водосборника) и развитием, как ширины, так и глубины зоны разгрузки в надрабатываемой и подрабатываемой породной толще. Указанные зоны достигают максимального развития в июне 2015 года и в дальнейшем развиваются лишь в направлении подвигания лавы. С этого момента может быть выделен период "установившегося" метановыделения, который характеризуется отсутствием постепенного нарастания газовыделения. 40,00
Как видно из таблицы 2.2 данный период характеризуется значительными отклонениями абсолютного газовыделения, как суммарного с учетом дегазации (Iуч), так и в выработки выемочного участка (Iлава). При этом в период простоев лавы наблюдается снижение метановыделения на участке в 1,8-2 раза и в лаве в 1,2-1,5 раза. Таблица 2.2 - Абсолютное метановыделение на выемочном участке 52 Величина Период работы лавы июнь-сентябрь 2015 г. Периоды простоев лавы Iуч, м3/мин Iлава, м3/мин Iуч, м3/мин Iлава, м3/мин Минимальная 20,67 1,01 11,79 1,26 Максимальная 119,36 17,39 58,62 12,22 Среднее значение 59,84 10,61 34,75 6,76 Для оценки неравномерности метановыделения на выемочном участке были обработаны и проанализированы данные автоматической газовой защиты (АГЗ) на базе многофункционального информационно-управленческого комплекса аппаратуры «Микон IР». В частности, показания датчика, установленного в исходящей струе очистного забоя (1,0%) - на конвейерном штреке 5209 в 10-20 м от очистного забоя у стенки, противоположной выходу из лавы, в верхней части выработки. Особого внимания заслуживают кратковременные всплески концентрации метана, ранее упоминаемые ранее[35,36] которые не удается увязать с технологическими, газодинамическими или геомеханическими процессами, происходящими на выемочном участке. Опасность данных всплесков заключается в их внезапности и непредсказуемости при современном уровне изученности вопроса. Продолжительность всплеска составляет около 10 минут при 3-4 кратном увеличении концентрации метана[9].
Таким образом, геомеханические и газодинамические процессы, происходящие на выемочных участках при их интенсивной отработке, требуют более детального изучения с целью их моделирования и прогнозирования, воздействия на газовый баланс, корректного управления газовыделением, обеспечения эффективности и безопасности горных работ[101].
В общем объеме метановыделения на выемочном участке 9-15% метана поступает из очистного забоя, 85-91% из выработанного пространства. Следовательно, главным фактором, сдерживающим повышение производительности выемочных участков, является газовыделение из выработанных пространств[62]. Также вызывает интерес тот факт, что с ростом добычи доля метановыделения из разрабатываемого пласта в газовом балансе участка уменьшается, наблюдается обратная зависимость между объемом добычи и долей метановыделения из очистного забоя (рисунок 2.5). При этом, абсолютная метанообильность очистного забоя колеблется незначительно и составляет порядка 9 м3/мин.
Высокая доля метановыделения из выработанного пространства создает повышенные требования к средствам газоуправления. Применяемая схема дегазации выработанного пространства подвержена рискам нарушения целостности скважин, пробуренных с поверхности, что приводит к невозможности удаления метановоздушной смеси и к скоплению недопустимых концентраций метана на выемочном участке. На рисунке 2.6 приведен график влияния потери работоспособности системы «скважина-газоотсасывающая установка», разрушение скважины привело к пятидневному простою лавы, что при наличии одного забоя в шахте приводит к значительным убыткам. Бурение запасных скважин также увеличивает стоимость отработки выемочного участка.
Исследование влияния способа подготовки выемочных участков на эффективность управления газовыделением
Для анализа полученных результатов решения осуществляется переход от значений величины в центрах ячеек к значениям величины в узлах. При численном решении используется итеративный подход, позволяющий получать новое решение из предыдущего, которое корректируется поправкой. Точность контролируется заданным критерием сходимости, базирующемся на средней невязке по всем контрольным объёмам.
Объемы подаваемого воздуха в лаву, удаляемой дегазационными и сбоечными скважинами метановоздушной смеси, концентрации метана в удаляемой метановоздушной смеси, газовый баланс выемочного участка соответствуют данным полученным во время натурных исследований на шахте «Котинская» АО «СУЭК-Кузбасс».
На первом этапе исследования была создана численная модель действующего выемочного участка. Примеры полученных результатов моделирования представлены на рисунках 7.4-7.12. На рисунке 3.4 демонстрируется газовый баланс выемочного участка. На рисунке 3.5 показано распределение метана. Подобное распределение скоплений метана объясняется влиянием дегазационных скважин в выработанном пространстве. Линии движения метановоздушной смеси визуализированы на рисунке 3.6 с помощью «стримлайнов» (англ. Streamline), что позволяет видеть зону Распределение метана на выемочномучастке на высоте 2м от почвы. На результатах численного моделирования концентрация метана представлена в долях по массе, а в правилах безопасности фигурирует концентрация по объему. Для удобства можно использовать формулу 3.1 для перевода массовой концентрации в объемную: Соб = соб-объемная концентрация; смасс-массовая концентрация; рВОзд-плотность воздуха; Рметан-плотность метана.
Концентрация метана в лаве и конвейерном штреке аналогичны с данными, которые при проведении шахтных наблюдений регистрировались системой автоматизированой газовой защиты Микон 1Р.
Скорость движения воздуха по лаве также совпадает со значениями реальных замеров, в полученной модели она не превышает 2,67 м/с на отдельных участках (рисунок 3.8) На основании представленых результатов можно сделать вывод, что используемая модель отражает основные закономерности протекания физических процессов газодинамики и может быть использована для дальнейших исследований после проведения окончательной верификации для возможных диапазонов изменения горно-геологических и горнотехнических условий ведения горных работ на шахте «Котинская». Точность расчета параметров аэрогазодинамических процесов, происходящиех на выемочном участке, удовлетворяет заданным требованиям и позволяет использовать модель для применения при проведении дальнейших исследований с целью разработки научно обоснованных рекомендаций по управлению газовыделением на выемочных участках.
При использования для дегазации выработанного пространства скважин пробуренных с поверхности и подключенных к газоотсасывающим установкам, периодически возникают ситуации с потерей работоспособности одной из скважин, что приводит к превышению предельно допустимой концентрации в лаве или кутке.
Рассмотрим численную модель потери работоспособности одной из 5 работающих скважин, пробуренных с поверхности. На рисунке 3.10 сразу заметны изменения в распределении метана на выемочном участке, наблюдается повышение концентрации метана в зоне выноса метана из выработанного пространства в лаву. Концентрация локальных скоплений метана в лаве превышает 1% , а в конвейерном штреке возрастает с 0,65% при всех работающих скважинах до 0,9%. Данная модель подтверждается сравнением с результататами натурных наблюдений, и доказывает низкую устойчивость газового режима при использовании скважин, пробуренных с поверхности.
Ситуация с отключенными или не работающими скважинами позволяет оценить влияние на газовую обстановку, оказываемое изолированным отводом метановоздушной смеси и подачей воздуха по вентиляционному штреку. По вентиляционному штреку подается 2500 м3/мин свежего воздуха рисунок 3.11 показывает, что свежий воздух поступает вглубь выработанного пространства на глубину более 60м, что способствует выносу значительных объемов метана в выработки, что приводит к их загазированию. На рисунке 3.11 видны зоны поступления метана из выработанного пространства, локальные скопления превышают 3,5%, в конвейерном штреке средняя концентрация 2,2%. Для решения проблемы обеспечения надежности управления газовыделением и снятия нагрузок на очистной забой по газовому фактору, решено провести дополнительную воздухоподающую выработку.
Появление дополнительной выработки в сочетании с изолированным отводом метановоздушной смеси позволяет увеличить возможности управления газовыделением на выемочном участке. Ключевыми параметрами выработки являются сечение в свету, расстояние до конвейерного штрека и количество воздуха, подаваемого по выработке. Сечение промштрека примем 12м2, что примерно соответствует минимальному сечению выработки, проводимой проходческими комбайнами, используемыми на шахте «Котинская». Данное сечение позволит обеспечить подачу необходимого количества воздуха, при минимально возможных затратах на проведение выработки. Промштрек проводится по пласту, параллельно конвейерному штреку. На расстояние промштрека от конвейерного штрека будет оказывать влияние нагрузка на очистной забой, общее количество и соотношение подачи свежего воздуха по выработкам, расход изолированного отвода метановоздушной смеси.
Рассмотрим влияние расстояния удаленности промштрека на газовую обстановку выемочного участка, при расходе изолированного отвода равном 250м3/мин, что соответствует действительному расходу на выемочном участке.
Обоснование параметров управления газовыделением на выемочных участках
Шахта «Котинская» АО «СУЭК-Кузбасс» является современным угледобывающим предприятием, оснащенным высокопроизводительным оборудованием, работающим в режиме «шахта-лава». Пласты в шахтном поле склонны к самовозгоранию, по качественным показателям относятся к марке ДГ, что в условиях низких цен на энергетический уголь для обеспечения конкурентоспособности требует поддержания стабильно высоких нагрузок на очистные забои, которые в ряде случаев ограничены по газовому фактору. В связи с этим, стоимостная оценка технологических схем с целью поиска возможностей снижения затрат на добычу угля при сохранении высоких нагрузок и требуемого уровня безопасности ведения горных работ является актуальной технической задачей, что неоднократно отмечалось различными авторами[33,64,73]. Затраты на подготовку и отработку выемочного участка предлагается определять по ранее использовавшейся [23] формуле (4.1): Зв.с. = Зпр.+Змон.+Зо.р.+Здем.+Здег.+Зусм, руб., (4.1) где Зв.с. – затраты на подготовку и отработку выемочного столба, руб.; Зпр. – затраты на проведение выработок на выемочном участке, руб.; Змон. – затраты на монтаж оборудования, руб.; Зо.р – затраты на очистные работы, руб.; Здем. – затраты на демонтаж оборудования, руб.; Здег. – затраты на дегазацию (управление газовыделением), руб.; Зусм – затраты на управление состоянием массива (мероприятия), руб.
Анализ затрат на подготовку и отработку выемочных участков для условий шахты «Котинская» в 2014-2015 гг. показал (рисунок 4.3), что более почти две трети затрат приходится на очистные и проходческие работы (52% и 20% соответственно), а затраты на управление газовыделением составляют 16% от общих затрат на отработку выемочного участка. На шахте применяется современный очистной комплекс производства Германии с очистным комбайном SL-500, способный работать в режиме 1 млн. тонн угля в месяц, однако, нагрузки на очистной забой ограничены по газовому фактору.
Применяются системы разработки длинными столбами по простиранию с подготовкой выемочных участков спаренными выработками, разделенными неизвлекаемыми ленточными целиками, шириной 40 м. Длина лавы – 280 м, длина выемочного участка (на примере 5209) – 4010 м, запасы угля в выемочном столбе – 6,4 млн. тонн.
Эффективность работы дегазационных скважин в значительной степени зависит от геомеханических процессов, которые происходят в подработанной толще в различных горно-геологических условиях. В случае перекрытия ствола работающих скважин неоднократно возникали случаи превышения допустимых концентраций метана на сопряжении с конвейерным штреком. Кроме того, отвод МВС через скважины, пробуренные с поверхности, предполагает движение части воздуха через выработанное пространство, что при отработке склонных к самовозгоранию пластов создает риск формирования очагов самовозгорания угля в выработанном пространстве. Затраты на бурение скважин с поверхности составляют 75 % (рисунок 4.4) от общих затрат на управление газовыделением, что делает актуальным поиск альтернативных решений по управлению газовыделением, обеспечивающих снижение затрат при необходимом уровне надежности.
Общее метановыделение на выемочном участке может превышать 100м3/мин, из которых 9-15% метана поступает из очистного забоя, 85-91% из выработанного пространства. Проведенными наблюдениями установлено, что с ростом нагрузок на очистные забои доля метановыделения из разрабатываемого пласта в газовом балансе участка уменьшается. При этом, метановыделение из пласта в очистном забое колеблется незначительно и составляет порядка 9 м3/мин. Следовательно, главным фактором, сдерживающим повышение производительности выемочных участков, является газовыделение из выработанного пространства, а основным направлением в управлении метановыделением является эффективная дегазация или/и изоляция выработанного пространства, решение данного вопроса рассматривалось в трудах [ 13,12,43,81].
При установившемся режиме работы лавы ППДУ из выработанного пространства извлекается порядка 80 м3/мин метана, с колебаниями в зависимости от фактической производительности очистного забоя (табл.4.3). На ППДУ, подключенных к сбоечным скважинам, концентрация метана в извлекаемой МВС изменяется в пределах 1-5%, подключенных к скважинам, пробуренных в купол обрушения 15-93%, суммарный расход установок 480 м3/мин.
Для дегазации выработанного пространства пласта 52 шахты «Котинская» применяются скважины глубиной 320-380 м, при перерасчете в условные единицы на 1 метр длины выемочного участка бурится 13 метров скважин с поверхности. Бурение 1 п.м. скважины стоит 5,1 тыс. рублей (в ценах 2015 года), что в итоге составляет 66,3 тыс. рублей на 1 метр длины выемочного участка. При длине выемочного столба 4 км затраты только на бурение составляет 265, 2 млн. рублей. Затраты на обслуживание ППДУ составляют 16243 тыс. рублей в год. При дегазации пласта 50 стоимость бурения на 1 метр длины выемочного столба возрастет до 73,4 тыс. рублей вследствие увеличения глубины разработки таблица 4.4.
В то же время фактические затраты на проведение 1 п.м. горной выработки (вентиляционного штрека) в условиях шахты «Котинская» составляют 46,3 тыс. рублей. При высокой стоимости бурения и обслуживания скважин и ППДУ, одним из направлений снижения общих затрат на отработку может быть поиск вариантов управления газовыделением, не предусматривающих бурения скважин с поверхности[21].
На рисунке 4.5 показано сравнение затрат на проведение дополнительной выработки и бурение дегазационных скважин с поверхности для выемочного участка аналогичных размеров (5209) при различной глубине отработки. Как видно из рисунка 4.5, затраты становятся равнозначными уже при глубине 220 м, а при дальнейшем увеличении глубины разработки проведение дополнительной выработки становится более экономически выгодным средством управления газовыделением на выемочном участке.