Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

ВОЛКОВ Михаил Александрович

Обоснование выбора технологии дегазации выемочных участков при высокопроизводительной отработке газоносных угольных пластов на основе учета ограничений нагрузки по газовому фактору

Специальность: 05.26.03 - Пожарная и промышленная  безопасность

(в горной промышленности)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Московский

государственный горный университет (МГГУ)

и Открытом акционерном обществе СУЭК-Кузбасс

(ОАО СУЭК-Кузбасс)

Научный руководитель:

КОЛИКОВ Константин Сергеевич - доктор технических наук, Московский государственный горный университет, заместитель заведующего кафедрой Инженерная защита окружающей среды

Официальные оппоненты:

ИВАНОВ Борис Михайлович - доктор технических наук, профессор, ФГУП Национальный научный центр горного производства - Институт горного дела им. А.А. Скочинского, главный научный сотрудник лаборатории Дегазация угольных пластов;

АНПИЛОГОВ Юрий Григорьевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Московский государственный горный университет, доцент кафедры Подземная разработка пластовых месторождений

Ведущая организация: Институт угля СО РАН (г. Кемерово)

Защита диссертации состоится 30 мая  2012 г. в . . . . час.  на заседании диссертационного совета Д 212.128.06 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Автореферат разослан . . . . апреля  2012 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.128.06

доктор технических наук                                                В.Н. КОРОЛЕВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В результате реструктуризации угольная промышленность трансформировалась из планово-убыточной в эффективно функционирующую отрасль. Техническое перевооружение угледобывающего производства привело к существенному росту производительности труда и повышению темпов ведения горных работ. Так, на предприятиях ОАО СУЭК-Кузбасс нагрузка на очистные забои превысила 10а000 т/сут, производительность труда рабочих - 300 т/чел/мес. Применяемые техника и технологии позволяют увеличить эти показатели в 2-3 раза, при этом при расчетах количества воздуха до сих пор используются нормативы, обоснованные производственным опытом отработки запасов с нагрузками, не превышающими 2 - 3 тыс. т/сут, и не учитываются физические особенности процесса фильтрации газа в угольном пласте и вмещающих породах, их коллекторские характеристики.

Как отмечено в Энергетической стратегии России на период до 2030 года , одними из основных проблем отрасли являются: сохранение высокого уровня травматизма и несоответствие производственного потенциала топливно-энергетического комплекса мировому научно-техническому уровню. Для решения этих проблем предусмотрено повышение уровня развития материально-технической и научно-исследовательской базы по охране труда, предупреждению и ликвидации аварий в угольной промышленности, повышение эффективности научных исследований по проблемам безопасности угледобывающего производства, а также разработка новой редакции нормативных документов в области вентиляции и дегазации.

Поэтому обоснование технологии дегазации при высокопроизводительной отработке газоносных угольных пластов на базе совершенствования и адаптации методики определения допустимой по газовому фактору нагрузки на очистной забой является актуальной задачей.

Целью работы является научное обоснование выбора технологии дегазации разрабатываемого пласта при высокопроизводительной отработке запасов на базе совершенствования и адаптации методики определения допустимой по газовому фактору нагрузки на очистной забой с учетом газовыделения из выработанного пространства и применяемой схемы проветривания добычного участка.

Идея работы заключается в том, что адаптация методики определения допустимой по газовому фактору нагрузки на очистной забой осуществляется на основе уточнения характеристик разрабатываемого угольного пласта путем проведения комплекса газодинамических исследований.

Научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:

- прогноз газообильности очистной выработки осуществляется на основе определения комплекса показателей газового состояния и фильтрационных характеристик  неразгруженного угольного пласта и углепородного массива;

- комплексный методический подход к оценке газообильности очистной выработки базируется на использовании законов газовой динамики с учетом газовыделения из выработанного пространства и применяемой схемы проветривания добычного участка, предусматривает  уточнение газоносности разрабатываемого угольного пласта в процессе его подготовки и обеспечивает определение предельно допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору;

- механизм адаптации методики определения допустимой по газовому фактору нагрузки на очистной забой для условий действующих шахт основывается на базе комплекса исследований углепородного массива и уточнения характеристик газового состояния угольного пласта и анализе зависимости газообильности добычного участка от нагрузки на очистной забой.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

-        анализом научно-технических материалов и литературных источников по способам управления  метановыделением в угольных шахтах;

-        удовлетворительной сходимостью результатов апробации методики определения предельно допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору с практикой ведения добычных работ на шахтах Котинская, им.С.М. Кирова и Талдинская-Западная-1.

Научное значение работы состоит в обосновании комплекса показателей газового состояния и фильтрационных характеристик  углегазоносного массива и способов их натурного определения  для прогноза газообильности очистного забоя, а также разработке методических основ выбора технологии дегазации выемочных участков.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

-        разработана основная технологическая документация на дегазационную подготовку угольных пластов для первоочередных объектов работ (шахта им. С.М. Кирова, лавы 2459, 2596);

-        разработана методика проведения шахтного эксперимента по определению пластового давления, проницаемости и параметров сорбции разрабатываемого угольного пласта;

-        разработана методика определения текущей газоносности угля при его транспортировании в шахте.

Реализация работы. Утверждена и принята к реализации технологическая часть проектов дегазационной подготовки лав 2459, 2596 на поле шахты им. С.М. Кирова  ОАО СУЭК - Кузбасс.

Апробация работы. Основное содержание диссертационной работы докладывалось на ежегодных научных симпозиумах Неделя Горняка (2010-2012 гг.), III Международной научно-практической конференции Перспектива развития Прокопьевско-Киселевского угольного района как составная часть комплексного инновационного плана моногородов (2011 г.), научном семинаре кафедры ИЗОС (2010, 2011 гг.) и заседании кафедр Аэрология и охрана труда и Инженерная защита окружающей среды МГГУ (2011, 2012 гг.).

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 10 печатных работах, в том числе 5 статей опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Вопросам дегазации угольных шахт посвящены исследования ННЦ ГП - ИГД им. А.А.аСкочинского, ВостНИИ, МакНИИ, ИПКОН РАН, МГГУ, ПечорНИИпроекта, КНИУИ и других научно-исследовательских, проектно-конструкторских и учебных институтов. Большой вклад в разработку способов и схем дегазации внесли А.Т.аАйруни, И.В.аСергеев, Н.В.аНожкин, А.М.Морев, В.И.Мурашов, С.К.аБаймухаметов, А.С.аБурчаков, О.И.аКасимов, В.С.аЗабурдяев, В.А.аСадчиков, Н.И.аУстинов, Е.И.аПреображенская и др.

В горно-геологических условиях шахт ОАО СУЭК-Кузбасс доказана возможность работы с нагрузками более 4 млн. т угля в год на один забой. Максимальная нагрузка достигнута на шахте Котинская - более 700 тыс. т в месяц. В этих условиях даже на шахтах третьей категории абсолютная газообильность добычного участка может достигать 100 и более м3/мин. Необходимым элементом технологии в этом случае является дегазация угленосной толщи. В настоящее время абсолютно преобладают способы текущей дегазации, имеющие высокую эффективность дегазации выработанного пространства, но при высоких нагрузках ограничением становится газовыделение разрабатываемого пласта. В этих условиях даже подготовка парными штреками не обеспечивает безопасных условий отработки. Для обеспечения безопасных условий высокопроизводительной отработки коэффициент дегазации разрабатываемого пласта должен достигать 25 - 50%. С интенсификацией и увеличением глубины ведения горных работ данная проблема только обостряется.

Решение данной проблемы возможно при использовании технологии заблаговременной дегазации шахтных полей, испытания которой впервые были проведены по инициативе академика А.А.аСкочинского под руководством проф. Н.В.аНожкина на шахтах Карагандинского и Донецкого бассейнов. Большую роль в развитии технологии сыграли работы С.А.аЯрунина, Ю.Ф.аВасючкова, С.В.аСластунова, В.Н.аКоролевой, Ю.Г.аАнпилогова, К.С.аКоликова, Ш.У.аАхметбекова, Н.Х.аШарипова, В.А.аГромова, А.И.аБуханцова и многих других.

Одним из основных условий успешного решения вопросов управления газовыделением является корректная оценка метанообильности выемочного участка, на базе которой и устанавливается максимально допустимая нагрузка на очистной забой по газовому фактору. До сих пор основным действующим нормативом по определению допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору является Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт (1989 г.). Принципиальный недостаток действующей методики прогноза газообильности  состоит в том, что расчетные формулы являются эмпирическими (т.е. ими можно пользоваться только при скоростях подвигания очистного забоя до 6 м/сут) и не учитывают физических закономерностей процесса газовыделения. Ряд региональных нормативов, снимающих ограничения по темпам ведения горных работ, также не лишены последнего недостатка, препятствующего адекватному прогнозу газовыделения.

Применение в расчетных моделях показателей лавы-аналога повышает достоверность прогнозов, однако имеет ограниченную область применения и не исключает погрешностей при определении  максимально допустимых нагрузок, которые могут привести к непредсказуемым последствиям.

Проблема заключается в том, что прогноз газовыделения осуществляется без учета параметров, определяющих газовыделение из углепородного массива, таких как давление газа, проницаемость угольных пластов и вмещающих пород, коэффициенты сорбции метана.

Специалистами МГГУ и ОАО СУЭК-Кузбасс в последние годы разработан методический подход к решению задачи определения максимально допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору, использующий современные достижения фундаментальных наук, в частности теории фильтрации в угольных пластах и породных массивах, а также компьютерные технологии моделирования процесса газовыделения на базе уравнений математической физики.

Необходимым условием корректной оценки является использование в расчетах достоверных физических свойств породного массива, без которых даже самая совершенная теоретическая модель не способна привести к правильному результату. Следует отметить, что данная информация в геологических отчетах либо отсутствует, либо её качество не соответствует требованиям решаемой задачи.

Особую проблему вызывает определение следующих параметров: газоносности угольного пласта, давления газа, коллекторских и сорбционных характеристик  угля. Для их уточнения был проведен комплекс лабораторных и шахтных исследований, позволивший обосновать оптимальные способы получения необходимой информации.

Исходя из анализа современного состояния данной проблемы и в соответствии с поставленной в диссертации целью осуществлялось решение следующих задач:

• обоснование способов определения коллекторских и сорбционных характеристик разрабатываемого пласта на основе проведения комплекса лабораторных и шахтных исследований;
• совершенствование модели формирования газообильности выемочного участка для обоснования допустимой по газовому фактору нагрузки с учетом газовыделения выработанного пространства и применяемой схемы проветривания добычного участка;
• адаптация методики определения допустимой по газовому фактору нагрузки на очистной забой;
• обоснование технологии дегазации выемочного участка с учетом коллекторских характеристик угольного пласта и возможного срока дегазации  при требуемой нагрузке на очистной забой;
• технико-экономическая оценка дегазации разрабатываемых угольных пластов.

Данные исследования были проведены на шахтах Котинская, им. Кирова, Талдинская-Западная-1.

Принципиальная схема методической разработки представлена на рис.1.

аборатория		Шахта				Справочные величины			Проектные параметры
Параметры сорбции Ленгмюра. Проницаемость, пористость угля и горных пород		Пластовое давление метана. Проницаемость пласта и вмещающих пород				Вязкость метана, объемная масса газов и горных пород, прочностные свойства			Мощность пласта. Длина очистного забоя. Ширина заходки комбайна. Минимальное сечение очистной выработки
Методика расчета максимально допустимой нагрузки на очистной забой  по газовому фактору
Фундаментальные уравнения массопереноса метана и геомеханики				Компьютерное моделирование				Технологические условия
Результаты расчета

Рисунок 1 Ц Методология расчета нагрузки на очистной забой

Уточнение газоносности угольных пластов осуществлялось в два этапа: на первом - на базе лабораторных исследований кернов, отобранных в ходе ведения подготовительных выработок, по методике разработанной ИУ СО РАН; на втором - расчетным путем по газообильности подготовительных выработок. В условиях лавы 5203 шахты Котинская уточненная газоносность составляла в основном 7 - 8 м3/т, что на 1,5 - 2,5 м3/т меньше чем прогнозная величина. Анализ результатов лабораторных исследований показывает необходимость совершенствования данного способа, в первую очередь в отношении сокращения продолжительности дегазации кернов за счет  использования дезинтеграции образцов или отбора образцов угля мелкой фракции.

Значения физических параметров угольного пласта можно получить в лабораторных и натурных условиях. Так, параметры изотермы Ленгмюра, константы q0 (м3/т) и РL (Па), входящие в уравнение сорбции

,  м3/т,

определяют в лабораторных условиях при насыщении метаном измельченной фракции угля. При этом лабораторные испытания достоверно отражают значения параметров Ленгмюра не только в лабораторных условиях, но также в угольном пласте, поскольку их значения не зависят от масштабного фактора и горного давления.

Если сорбционные характеристики можно определить как в лабораторных, так и в шахтных условиях, то пластовое давление метана и проницаемость угольного пласта - только в натурных условиях. Зависимость допустимой нагрузки от газового давления и возможный её диапазон для условий шахты Талдинская-Западная-1 представлен на рис. 2.

Кроме параметров Ленгмюра массоперенос метана в значительной мере определяется пластовым давлением и проницаемостью угольного пласта, которые достоверно можно определить только шахтными экспериментами.

Необходимо отметить, что отсутствие лабораторной базы, обеспечивающей возможность оперативного определения сорбционных характеристик угля, предопределяет  актуальность и преимущества шахтных исследований.

Проведенные эксперименты показали целесообразность определения пластового давления, коллекторских и сорбционных характеристик угольного пласта на основе обработки результатов снятия кривых восстановления давления в скважинах, пробуренных на исследуемый пласт через породную пробку. Замеры пластового давления на шахте им. Кирова показали, что газовое давление составляет 2,2-2,4 МПа при расчетном давлении около 2,6 МПа.

В соответствии с разработанной методикой по измерительной скважине можно получить две качественно отличающиеся кривые:

первая на стадии истечения метана определяется динамика дебита скважины в течение времени;

вторая на стадии снятия кривой восстановления давления фиксируется динамика давления в скважине в течение времени.

Рисунок 2 - Прогнозный диапазон максимально допустимых нагрузок

Компьютерное моделирование процесса газовыделения на основе известных уравнений математической физики с использованием программного продукта ComsolMultyphisics позволяет определить  фильтрационные и сорбционные характеристики: пластовое давление, коэффициент газопроницаемости угольного пласта, две константы Ленгмюра (давление и сорбционная емкость) - в случае, если их значения не известны из лабораторных экспериментов.

Основными составляющими, формирующими метанообильность добычного участка, ранее разработанной специалистами МГГУ и ОАО СУЭК-Кузбасс модели являлись:

- газовыделение обнаженной поверхности пласта по закону фильтрации с учетом эффекта десорбции метана из угля Q1;

- газовыделение из пород кровли и почвы непосредственно из свеже-обнаженной поверхности в процессе движения очистного комбайна Q2 , Q3;

- газовыделение из пород кровли и почвы над и под крепью Q22 , Q33;

- газовыделение из отбитого угля с учетом свободного газа, находившегося под давлением в поровом пространстве Q4.

В ней не учитывалось газовыделение из выработанного пространства Q5, величину которого предлагается определять с учетом применяемой схемы проветривания:

Для схем проветривания 3-В-Н-н-пт; 3-В-Н-г-пт  Q5 = 0

Для схем проветривания 1-М-Н-в-вт; 1-М-Н-н-вт; 1-М-Н-г-вт

Q5 = (qс.п + qпор) ⋅ (1 - Кд.сп) + qс.н ⋅ (1 - Кд.сн) + kэ.п ⋅ (Х - Х0) ⋅ (1 - Кд.пл)               (1)

Для схем проветривания 1-К-Н-в-вт; 1-К-Н-в-вт; 1-К-Н-г-вт  -  промежуточное значение.

Таким образом, суммарный дебит метана из всех рассмотренных источников составляет

+Q5. (2)

Допустимая нагрузка на очистной забой определяется исходя из максимально допустимого газовыделения в очистную выработку  с учетом коэффициента использования комбайна во времени Кисп.

Адаптация методики осуществлялась в следующей последовательности:

• сбор исходной горно-геологической информации;
• сбор и анализ горнотехнологической информации;
• предварительный прогноз газообильности добычного участка;
• исследования коллекторских и сорбционных характеристик угольного пласта;
• шахтные исследования газоносности и газовыделения транспортируемого угля;
• сопоставление фактических данных метанообильности добычного участка и результатов компьютерного моделирования для  уточнения прогнозных значений пластового давления и проницаемости;
• прогноз газообильности добычного участка на основе использования скорректированных показателей газового состояния и фильтрационных характеристик углепородного массива;
• определение допустимой по газовому фактору нагрузки на очистной забой.

Комплекс шахтных исследований на ш. им. С.М. Кирова предусматривал определение пластового давления и коэффициентов сорбции Ленгмюра на основе обработки результатов газодинамических исследований скважин и анализа динамики газовыделения пластовых скважин.

Выполненные исследования позволили установить, что Рпл= 2,4 МПа;  проницаемость угольного пласта Болдыревский С = 0,1510-15 мД, коэффициенты сорбции Ленгмюра - a= 0,20710-6 Па-1 , b = 48 м3/т.

Результаты прогноза газовыделения источников для установленных характеристик угольного пласта в зависимости от нагрузки на очистной забой представлены на рис. 3.

Исследования газоносности и газовыделения из отбитого угля осуществляли в соответствии с методикой определения текущей газоносности угля при транспортировании. Пробы отбирались в местах отбойки, после перегружателя и в конце конвейерного штрека в герметичные сосуды с последующим определением газоносности угля в лаборатории. Оценка газообильности осуществлялась с учетом текущей скорости подачи комбайна и времени транспортирования угля  на основе газовых съемок по участку, результаты которых позволяют также уточнить сорбционные характеристики угля при анализе результатов прогноза газовыделения из отбитого угля.

В условиях шахты им. С.М. Кирова снижение газоносности угля при транспортировании по выемочному участку составило 1,4-1,7 м3/т.

Сопоставление результатов прогноза газовыделения из отбитого угля с результатами шахтных исследований газообильности позволяет оценить корректность установленных величин сорбционных и коллекторских характеристик угольных пластов.

Рисунок 3 - Зависимость газовыделения источников от нагрузки на очистной забой

Оценка влияния величины давления газа на допустимую по газовому фактору нагрузку выполнена по разработанной специалистами МГГУ и ОАО СУЭК-Кузбасс методике на основании данных, полученных по шахте им. С.М. Кирова. Результаты расчета представлены в табл. 1. Следует отметить, что для выполнения расчета использованы значения пластового давления метана и сорбционные параметры угольного пласта, определенные на базе шахтных испытаний. В отличие от базовых нормативных документов, в которых основной исходной геологической информацией является газоносность пласта, при данном подходе в расчетах используют экспериментально (или аналитически) определенные в шахтных условиях значения пластового давления метана.

В представленных результатах расчета использован диапазон пластовых давлений газа, измеренных в ходе испытаний выполненных на шахте им. Кирова. Расчеты выполнены для действующих и перспективных объектов разработки, в том числе по пластам Болдыревский и Поленовский.

Таблица 1

Расчетная допустимая нагрузка на очистные забои шахты им. Кирова

ава, пласт	Мини-мальное сечение лавы, м	Ширина заходки комбайна /длина лавы (м/м)	Время отработ-ки (начало/ оконч.)	Газонос-ность м3/т	Пласт. давл., атм	Нагрузка на очист-ной забой, т/сут (планируемая)	Нагрузка по разработанной методике
ава 2454 Болдырев-ский	6,8	0,8 235	05.2010 03.2011	14,44	17,8	7740	10415
ава 2455 Болдырев-ский	5,2	0,76 240	04.2011 03.2012	14.89	19,3	8120	5510
ава 2458 Болдырев-ский	6,8	0,8 289	03.2013 03.2014	17,65	23,2	7050	5360
ава 2459 Болдырев-ский	6,8	0,8 301	04.2014 08.2015	18,93	24,1	6820	4580
ава 2592 Поленовс-кий	5,2	0,76 240	01.2010 09.2010	16,73	20,4	3310	5540
ава 2594 Поленовс-кий	5,2	0,76 299	05.2012 06.2013	17,44	23,7	6890	3290
ава 2595 Поленовс-кий	5,2	0,76 300	07.2013 09.2014	17,99	24,2	6720	3046
ава 2596 Поленовс-кий	6,8	0,8 300	11.2014 12.2015	18,71	25,1	6300	4820

В качестве примера рассмотрим лаву 2453 (пласт Болдыревский), для которой диапазон пластовых давлений находится в пределах 1,3Е2,1 МПа. Поэтому один расчет производен при минимальном, а второй расчет - при максимально возможном пластовом давлении. Как свидетельствуют расчеты, получен ожидаемый диапазон допустимых нагрузок на очистной забой по газовому фактору в пределах 7876Е14460 т/сут.

Отметим, что планируемая на период отработки нагрузка на очистной забой рассчитана и обоснована по сопоставлению с лавой-аналогом и составляет 10720 т/сут. Для сравнения, если выполнить расчет по разработанной нами методике, то указанная нагрузка на очистной забой допустима при пластовых давлениях менее 1,6 МПа. При пластовых давлениях более 1,6 МПа притоки метана в очистной забой будут недопустимо велики.

По поводу расчетов по известным и широко применяемым методикам, использующим в качестве основных показатели, достигнутые в лаве-аналоге, следует сделать следующие замечания. Действительно, при выполнении любых расчетов необходимо ориентироваться на показатели в аналогичных лавах и учитывать накопленный ранее опыт. Однако следует иметь в виду, что по мере углубления горных работ коэффициенты перерасчета геометрических и технологических параметров с одной лавы на другую могут привести к неверным результатам, поскольку используемые эмпирические коэффициенты не имеют надежного физического обоснования.

Из этого следует вывод, что запланированная и утвержденная на шахте нагрузка при отработке лавы 2453 (пласт Болдыревский) может оказаться ошибочной и невыполнимой по газовому фактору в случае, если пластовое давление метана на участке отработки угольного пласта будет выше 1,6 МПа. Если же давление будет ниже 1,6 МПа, то проблем по газовому фактору не возникнет.

Таким образом, фактор наличия достоверных данных о свойствах пласта и горно-геологических условиях объекта является крайне актуальным. Наличие надежной информации о давлении газа позволит повысить достоверность прогноза допустимых нагрузок и в случае необходимости реализовать заблаговременные мероприятия по дегазации.

Вариация фактической проницаемости и пористости угольного пласта относительно принятых в расчете значений также смещает достоверность прогнозов в ту или иную сторону.

Тем не менее, следуя усовершенствованной методике, можно утверждать, что существуют такие участки угольного пласта, на которых выполнение планируемых шахтой им. С.М. Кирова нагрузок практически невыполнимо. Например, (см. табл.1), рассмотрим лаву 2455 (пласт Болдыревский), где планируемая шахтой нагрузка 8120 т/сут больше рассчитанной по разработанной методике - 5510 т/сут. В таком же положении находятся лавы 2459, 2460 по пласту Болдыревский, а также лавы 2594, 2595 по пласту Поленовский.

Перспективная оценка газообильности очистных забоев, выполненная в соответствии с разработанной методикой показала необходимость проведения дегазационной подготовки по большинству лав шахты им. Кирова (табл. 1).

Очевидно, что в таких условиях необходимо заранее реализовывать технические решения, устраняющие газовый барьер, для чего необходимо применение заблаговременной или предварительной пластовой дегазации.

При апробации методики в 2009-11гг. в условиях шахты Котинская в качестве исходной величины использовали величину газоносности пласта, отнесенную к беззольной массе угля. При известной газоносности и коэффициентах Ленгмюра дополнительным расчетом определяли ожидаемое пластовое давление метана.

Несмотря на сделанные допущения, полученные  результаты расчетов удовлетворительно соответствуют данным практики. Однако очевидно, что использование в расчетах фактических, а не приближенных значений исходных физических свойств угольного пласта дает более достоверные результаты.

На рис. 4 представлены результаты расчета дебита метана в очистную выработку из всех перечисленных источников - для случая работы лавы 5208 на шахте Котинская. При данных горно-геологических и горнотехнологических условиях наибольший вклад в приток метана в выработанное пространство обеспечивают два источника - это очистной забой и отбитый уголь. При используемой схеме управления метановыделением приток из выработанного пространства отсутствует. Горизонтальной линией на рис.4 показан допустимый  по требованиям ПБ приток метана в очистной забой, составляющий 21 м3/мин. Из графика следует, что допустимый предел выделения метана в призабойное пространство достигается при скорости подачи комбайна 5,4 м/мин, что соответствует нагрузке на очистной забой более 28 тыс. т в сутки.

Рисунок 4 - Приток метана в очистную выработку в зависимости

от нагрузки на очистной забой лавы 5208

Обеспечить безопасные условия отработки возможно только при снижении его газоносности. Важным вопросом в этом случае является оценка требуемой глубины дегазации разрабатываемого пласта.

Выбор технологии дегазации выемочных участков кроме стандартной процедуры, связанной с прогнозом газообильности источников метановыделения, их ранжированием и выбором способов дегазации источников дополняется следующими, обоснованными в диссертационной работе, обязательными  этапами:

- определение прогнозной газообильности добычного участка в соответствии с разработанной методикой;

- оценка ограничений нагрузки на очистной забой по фактору метановыделения разрабатываемого пласта и требуемой эффективности дегазации;

- на базе  фактически определенных  показателей газового состояния и фильтрационных характеристик оценивается динамика газовыделения при дегазации источников;

- с учетом требуемой эффективности и возможного времени дегазации угольного пласта выбирается способ пластовой дегазации и определяются его параметры.

Для обеспечения плановой нагрузки на очистные забои 2459, 2595 и 2596 ш. им. С.М.Кирова требуется степень дегазации разрабатываемых пластов соответственно 0,35; 0,46 и 0,24. С учетом возможного времени на дегазационную подготовку выбраны технологические схемы дегазации разрабатываемых пластов данных лав (табл.2). Для лав 2459 и 2595 предусмотрено применение гидродинамического воздействия без освоения скважин ГРП.  Извлечение метана при применении данной технологической схемы осуществляется через  пластовые скважины. Лава 2596 дегазируется с использованием пластовых скважин.

Для условий шахты проектные показатели гидрорасчленения по пластам Болдыревский и Поленовский в схеме комплексной дегазации составляют соответственно: объем закачки рабочей жидкости - 1200 и 800 м3; темп закачки - 67 и 62  л/с.

При оценке экономического эффекта учитывались следующие составляющие: экономия от повышения нагрузки на очистной забой, утилизации извлекаемого газа и снижения эмиссии метана в атмосферу, а также затраты на реализацию комплексной дегазации. Определяющими являются первая и последняя составляющие. Для условий шахты им. С.М.Кирова применение комплексной схемы дегазации экономически оправдано при повышении нагрузки на очистной забой более чем на 30%.

Таблица 2

Рекомендуемые способы и основные  параметры дегазации

Объект, ава, пласт	Нагрузка, т/сут	Требуемая степень дегазации  пласта	Срок дегазации, мес.	Рекомендуемая схема дегазации
				Основная	Вспомогательная.
ава 2459  Болдыр.	6820	0,35	24-38	ГРП-1	Гидратация
ава 2595 Поленов.	6720	0,46	18-30	ГРП-1	Гидратация + ППД
ава 2596 Поленов.	6300	0,24	36-48	ППД	Интенсификация газовыделения

ГРП - гидрорасчленение угольного пласта; ППД - предварительная пластовая дегазация.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной для угольной отрасли задачи обоснования технологии дегазации при высокопроизводительной отработке газоносных угольных пластов на базе совершенствования и адаптации методики определения допустимой по газовому фактору нагрузки на очистной забой. Основные научные результаты и выводы, полученные автором в процессе исследований, а также рекомендации заключаются в :

1. На базе применения законов газовой динамики разработана модель формирования газообильности очистной выработки, учитывающая газовыделение разрабатываемого пласта, вмещающих пород, выработанного пространства и схему проветривания и обеспечивающая достоверную оценку допустимой по газовому фактору нагрузки на очистной забой.
2. Обоснованы способы определения комплекса характеристик газового состояния и фильтрационных характеристик неразгруженного угольного пласта, определяющих газообильность очистной выработки, выполнен комплекс шахтных исследований, обеспечивший уточнение газоносности, коллекторских и сорбционных характеристик  угольных пластов шахт Котинская, им. С.М. Кирова. Так, для условий шахты им. С.М.Кирова газовое давление составило 2,4 МПа, проницаемость угольного пласта Болдыревский С = 0,15*10-15 мД,  коэффициенты сорбции Ленгмюра - a= 0,20710-6 Па-1 , b = 48 м3/т.
3. Разработан механизм адаптации методики определения допустимой по газовому фактору нагрузки на очистной забой для условий действующих шахт, базирующийся на проведении комплекса шахтных исследований по определению коллекторских и сорбционных характеристик и решении обратной задачи определения газообильности добычного участка от нагрузки на очистной забой.
4. На основе применения обоснованного механизма осуществлена адаптация методики определения допустимой по газовому фактору нагрузки на очистной забой для условий шахт им. С.М.Кирова, Котинская, Талдинская-Западная-1.
5. Обоснованы технология и параметры комплексной дегазационной подготовки разрабатываемых пластов шахты им. С.М.Кирова  с учетом величины прогнозного газовыделения, планируемой нагрузки на очистной забой и продолжительности дегазации.
6. Осуществлена технико-экономическая оценка дегазационной  подготовки угольных пластов, подтверждающая экономическую целесообразность комплексной дегазации выемочных участков при обеспечении роста нагрузки более 30% для условий шахты им. С.М. Кирова.

Основные положения диссертации изложены  в следующих научных работах:

1. Волков М.А. Анализ состояния проходки подготовительных выработок по мощным пологим и наклонным пластам/ Вестник Кузбасского государственного технического университета. КузГТУ. -2003. -№1. -С.12-15.
2. Волков М.А. Дегазация - основа безопасной и комплексной разработки угольных месторождений. Вестник Кузбасского государственного технического университета. КузГТУ. -2011. -№1. -С.43-46.
3. Коликов К.С., Лупий М.Г., Волков М.А. Обоснование параметров комплексной дегазации разрабатываемого пласта/Поэтапное извлечение угольного метана: Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня. -2011. -№ 4. -С.5-11
4. Борисенко А.В., Иванов Ю.М., Волков М.А. Факторы, определяющие перспективные участки заложения скважин для извлечения метана из ликвидированных и действующих шахт// Горный информационно-аналитический бюллетень. -2011. -№ 3. -С.196-202.
5. Волков М.А. Обоснование допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору в условиях шахты Котинская ОАО СУЭК-Кузбасс/ Сб. трудов III Международной научно-практической конференции Перспектива развития Прокопьевско-Киселевского угольного района как составная часть комплексного инновационного плана моногородов. - Прокопьевск: Изд-во филиала ГУ КузГТУ в г. Прокопьевске. -2011. -С. 32-35.
6. Каркашадзе Г.Г., Волков М.А., Ермак Г.П. Совершенствование методики расчета нагрузки на очистной забой на основе шахтных измерений пластового давления и параметров массопереноса метана в угольных пластах// Горный информационно-аналитический бюллетень. -2011. ОВ № 8 Экология и метанобезопасность. - С. 169-175.
7. Каркашадзе Г.Г., Шмат В.Н., Волков М.А. Методика определения пластового давления, проницаемости и сорбционных свойств угольного пласта по результатам шахтных измерений // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2011. -ОВ № 8 Экология и метанобезопасность. - С. 195-203.
8. Коликов К.С., Волков М.А., Ермак Г.П. Оценка влияния величины давления газа на допустимую нагрузку на очистной забой// Горный информационно-аналитический бюллетень. -2011. -ОВ № 8 Экология и метанобезопасность. - С. 204-209.
9. Коликов К.С., Волков М.А. Обоснование параметров пластовой дегазации в зонах гидрорасчленения угольного пласта// Горный информационно-аналитический бюллетень. -2011. -ОВ № 8 Экология и метанобезопасность. - С. 47-52.
10. Борисенко А.В., Иванов Ю.М., Волков М.А. Аналитическая оценка притока метана в техногенный коллектор с периферийных участков неразгруженного углепородного массива// Горный информационно-аналитический бюллетень. -2012, № 3. Депон рук. Депозитарий изд-ва Горная книга. Спр. № 876/3-12 от 16 января 2012 г. (15 стр.)

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям