Разработка метода определения эмиссионных ресурсов и газокинетических свойств массива горных пород для совершенствования комплексного газоуправления: На примере шахт Кузбасса

Актуальность темы

Особенностью угольных месторождений Кузбасса является их высокая газоносность при небольшой, 80−130 м, глубине залегания верхней границы зоны метановых газов. На современных глубинах ведения о горных работ содержание метана достигает 20 м /т и более. Наряду со значительной угленосностью месторождений, до 18%, эти особенности Кузбасса заставляют рассматривать его месторождения в качестве углеметановых с соответствующей модификацией технологий разработки.

Наблюдающийся в настоящий период рост добычи угля сопровождается выраженной тенденцией роста производительности выемочных участков, особенно при разработке пологих пластов комплексно-механизированными забоями. Как свидетельствуют статистические данные шахт Кузбасса, это не только увеличивает их метанообильность, но и обусловливает рост, по степенной зависимости, загазирований выработок, служащей основой для воспламенения метана с вероятностью около 2%. Решениями УКО Госгортехнадзора РФ в период 1997;1999 гг. около 10 лав отрабатывались с существенно ограниченной по газовому фактору производительностью. Эти обстоятельства заставляют признать, что наиболее распространенная в Кузбассе комбинированная схема проветривания комплексно-механизированного выемочного участка, основанная на разжижении меньшей части выделяющегося метана вентиляционной струей и оттеснении от забоя с последующим изолированным отводом большей составляющей газового баланса, требует дальнейшего совершенствования в направлении расширения комплексного газоуправления.

В 80-х годах проф. A.A. Мясниковым для рассматриваемых условий было предложено комплексное газоуправление на выемочном участке, дополняющее комбинированную схему третьим способом управления газовыми потоками — дегазацией разрабатываемого пласта и выработанного пространства. Однако научная проработка этого комплекса ограничилась уровнем технического предложения без количественного анализа горнотехнологических условий совместного и раздельного применения его основных способов. За прошедшие годы произошел существенный прогресс в части технологий дегазации угольных пластов и создании средств бурения скважин. Эффективное использование этого научно-технического потенциала для повышения производительности шахт и забоев требует разработки соответствующего метода определения параметров комплексного газоуправления, основанного на определении эмиссионных ресурсов и газокинетических свойств массива горных пород.

В 90-х годах международные экологические организации подняли вопрос об обязательности утилизации шахтного метана, как одного из «парниковых» газов. Шахты Кузбасса выбрасывали в атмосферу в 1990 и 1998 гг. соответсто венно 1,3 и 0,7 млрд. м /год метана. Метан является весьма ценным химическим и экологически чистым энергетическим сырьем. Локальные участки его попутной добычи, шахты и разрезы, являются и энергопотребителями с вполне соответствующим потенциалом, что создает достаточные условия для рационального природопользования.

Таким образом, исследования закономерностей распределения эмиссионных ресурсов разрабатываемого участка месторождения и газокинетических свойств массива горных пород, а также аэрогазодинамических процессов на выемочных участках угольных шахт в направлении совершенствования комплексного управления аэрогазовыми потоками и обоснования возможных объемов использования попутного метана, как обязательной составляющей технологической культуры, представляют существенный научный интерес и практическую значимость.

Работа выполнялась в соответствии с основными заданиями к плану научно-исследовательских работ Института угля и углехимии СО РАН на 1998;2000 гг. по основному направлению научных исследований «Системы и процессы эффективной ресурсосберегающей и экологически безопасной разработки угольных месторождений» .

Цель работы. Повысить точность определения параметров комплексного газоуправления на основе исследования эмиссионных ресурсов и газокинетических свойств массива горных пород.

Основная идея заключается в использовании закономерностей пространственного распределения эмиссионных ресурсов и их влияния на кинетику газовыделения при переменной скорости подвигания забоя.

Задачи исследований:

• развить метод определения эмиссионных ресурсов и газокинетических свойств массива горных пород посредством применения пространственных информационно-аналитических моделей;

• установить зависимость эмиссии метана на шахтах Кузбасса от их производительности, газоносности разрабатываемых пластов и выхода летучих и оценить перспективность комплексного газоуправления, включающего современные способы и схемы дегазации;

• уточнить зависимости кинетики поступления газа на выемочный участок из основных источников от скорости подвигания забоя и времени транспортирования угля в условиях аэрогазового обмена между призабойным объемом и выработанным пространством при комбинированном газоуправлении;

• разработать метод определения области применения способов комплексного газоуправления;

• провести предварительную оценку эмиссионного потенциала углеме-танового месторождения, разрабатываемого открытым способом, для подтверждения установленных закономерностей.

Методы исследований: методы идентификации информационно-аналитических моделей свойств массива горных пород при определении эмиссионных ресурсов и газокинетических свойствметод номографииметод графической интерпретации данныхметоды газовой динамики для определения параметров аэрогазового обмена на выемочном участкеметоды математической статистики при установлении тенденций развития процессов и аппроксимации экспериментальных и статистических данных.

Защищаемые научные положения:

• применение пространственных информационно-аналитических моделей свойств массива горных пород повышает точность определения эмиссионных ресурсов и газокинетических свойств массива горных пород и позволяет установить отклонения природной метаноносности угольных пластов с ростом глубины залегания на ненарушенных участках месторождений от положений теории сорбции при соответствующих гидростатическому закону значениях давления газа;

• величина общешахтной эмиссии метана с учетом производительности, газоносности разрабатываемых пластов и выхода летучих, влияет на объемы применения комплексного газоуправления на шахтах Кузбасса и их газовую аварийность, показателем которой служит количество загазирований выработок на миллион тонн добычи угля;

• характеристики основных источников метанообильности выемочных участков зависят от совокупного влияния свойств массива и параметров технологии работ и при отработке выемочных столбов значительных размеров существенно изменяются по мере отработки, а аэрогазодинамическое качество системы газоуправления характеризуется отношением расходов аэрогазовой смеси по основным направлениям (вентиляционный и конвейерный штреки, газоот-водящая выработка);

• область применения и необходимая эффективность основных способов комплексного газоуправления на выемочном участке при прочих равных условиях определяются направлением и интенсивностью аэрогазового обмена между призабойным объемом и выработанным пространством;

• изменения газокинетических характеристик газоносных угольных пластов в зонах влияния надработки отслеживаются при доразведке месторождения, отрабатываемого открытым способом.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается:

• корректностью постановки задач согласно развитию основной идеи в направлении поставленной цели;

• использованием представительного объема (69 шахт, 430 геологоразведочных скважин, 5 выемочных участков) статистических и экспериментальных данных по рассматриваемым физическим процессам.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• повышена точность метода определения эмиссионных ресурсов и газокинетических свойств массива горных пород по геологоразведочным данным и дискретным значениям параметров технологии горных работ и на этой основе установлена эмпирическая зависимость природной метаноносности пласта от глубины его залегания;

• установлены зависимости газовой аварийности шахт от их метанообильности и производительности, газоносности разрабатываемых пластов и выхода летучих веществ, с ранжированием шахт по уровню газовой опасности и объемом применения комплексного газоуправления с учетом современных способов и схем дегазации, обеспечивающих повышение технико-экономических показателей при утилизации метана;

• получены эмпирические функции, уточняющие влияние скорости подвигания забоя и времени транспортирования угля на кинетику поступления газа из разрабатываемого пластавведено, следующее из закона сохранения массы метановоздушной смеси, понятие коэффициента газовоздухораспреде-ления на выемочном участке, позволившее установить зависимость метано-обильности действующего забоя от свойств пласта и параметров технологии работ в условиях аэрогазового обмена между призабойным объемом и выработанным пространством;

• установлена взаимосвязь метанообильности забоя с коэффициентами газовоздухораспределения и эффективности дегазации основных источников метановыделения, определяющая объемы и условия совместного и раздельного применения основных способов газоуправления на выемочном участке;

• установлено, что снижение литологического давления при ведении открытых горных работ инициирует переход углеметанового пласта в другое состояние с формированием соответствующего эмиссионного потенциала.

Личный вклад автора состоит:

• в уточнении метода определения эмиссионных ресурсов и газокинетических свойств массива горных пород на основе геологоразведочных данных по осям скважин и дискретных значений параметров технологии горных работ;

• в установлении линейности зависимости природной метаноносности пласта от глубины его залегания в определенном диапазоне условий;

• в установлении зависимости газовой аварийности шахт от их метанообильности и производительности, газоносности разрабатываемых пластов и выхода летучих, с определением объема каптирования метана, как основы для применения комплексного газоуправления на выемочных участках угольных шахт;

• в обосновании выбора способа дегазации, обеспечивающего минимизацию затрат в условиях утилизации метана;

• в установлении эмпирических функций, уточняющих влияние скорости подвигания забоя и времени транспортирования угля на кинетику поступления газа из разрабатываемого пласта и введении понятия коэффициента газовоздухораспределения на выемочном участке, позволившее установить зависимость метанообильности действующего забоя от свойств пласта и параметров технологии работ в условиях аэрогазового обмена между призабойным объемом и выработанным пространством;

• в установлении взаимосвязи метанообильности забоя с коэффициентами газовоздухораспределения и эффективности дегазации, определяющей объемы эмиссии метана и условия совместного и раздельного применения основных способов газоуправления на выемочном участке;

• в уточнении особенностей формирования эмиссионного потенциала при открытой разработке углеметановых месторождений, подтверждающих установленные в этом диапазоне зависимости.

Практическое значение работы. Результаты исследований позволяют:

• определять эмиссионные ресурсы и газокинетические свойства массива горных пород и уточнять значения газоносности пластов;

• ранжировать шахты по уровню потенциальной газовой опасности с определением соответствующих объемов каптирования метана;

• оценивать перспективность применения основных способов дегазации в рамках комплексного газоуправления;

• повысить точность расчета метанообильности действующих выемочных участков на пологих средней мощности пластах;

• уточнять параметры аэрогазодинамических процессов на выемочном участке и область применения комплексного газоуправления;

• устанавливать необходимую производительность дегазационных систем на выемочном участке, как части технологически необходимого объема изолированного отвода метана;

• определять объем эмиссии метана при ведении открытых горных работ, как разность между запасами метана в массиве горных пород и их остаточным значением, соответствующим изменению литологического давления в результате вскрышных работ.

Реализация работы.

Разработанные в процессе исследований методические средства включены в состав программного комплекса адаптивной автоматизированной системы прогноза газопроявлений (АдАСП ГП), подготовленной к промышленной апробации. Выполнено обоснование перспективности пяти метанодобывающих участков на Чертинском месторождении Кузбасса ПО «Беловоуголь» в 1995 г. Разработан инвестиционный проект использования дегазационного метана в котельной ОАО «Шахта «Первомайская» в 1997 г.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии угледобычи и углепереработки» (Кемерово, 1998), на научно-практической конференции «Опыт и перспективы наукоемких технологий в угольной промышленности Кузбасса» (Кемерово, 1998 г.) — на Международной научно-практической конференции «Экологические проблемы угледобывающей отрасли в регионе при переходе к устойчивому развитию» (Кемерово, 1999 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 12 работах, включая 1 патент.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 6 глав, введение и заключение, список используемой литературы из 67 наименований, изложена на 120 страницах машинописного текста, включая 12 таблиц и 59 рисунков.

Основные выводы:

1. Изменение природной метаноносности угольного пласта с глубиной залегания подчиняется линейной зависимости (коэффициент корреляции 0,97). Для углей с выходом летучих 22% и 38%, для Березово-Бирюлинского и Чер-тинского месторождений соответственно, угол наклона линии регрессии соото о ветственно составляет 0,0437 м /т-м и 0,0457 м /т-м, а величина свободного чле.

3 3 на 1,08 м /т и 3,22 м /т. На глубинах около 500 м природная газоносность пласта превышает предельную сорбционную метаноемкость углей примерно на 60% и на 67% ее сумму с газосодержанием трещинно-порового объема при давлении газа, соответствующему эмпирической зависимости для Кузбасса.

2. Применение пространственных информационно-аналитических моделей повышает на 15−250% точность определения запасов метана, по сравнению с общепринятым методом треугольников, и эмиссионных ресурсов массива горных пород при их дифференцировании по участкам выемочного столба для уточнения метанообильности забоя на интервалах подвигания.

3. Газовая аварийность угольных шахт связана с их абсолютной метано-обильностью степенной зависимостью с показателем 2,9. Это позволяет с достаточной надежностью (коэффициент корреляции 0,74) ранжировать их по критерию, включающему совокупность показателей: производительность добычи угля, абсолютная метанообильность, количество загазирований. При этом группа наиболее опасных включает 22 шахты (44% от общего числа) с суммарной ме-танообильностью по данным 1998 г. 907 м3/мин. Для этих шахт объемы дополнительного повышения производительности систем изолированного отвода метана с целью снижения загазирований до 4 случ./год-млн.т составляют 212,2 млн. м3/год. Оценка эмиссионных ресурсов шахт на ближайшую перспективу (до 2005 г.) с использованием установленных зависимостей метанообильности от производительности шахт, газоносности разрабатываемых пластов и выхода летучих, указывает на необходимость внедрения комплексного газоуправления минимум на 15 действующих шахтах Кузбасса. Их суммарная производительность по изолированному отводу метана должна составить в 2005 г. 665 млн. м3.

4. Использование для изолированного отвода эмиссионных потоков в выработанное пространство только средств вентиляции создает в нем взрывоопасные смеси (4−15%), однако уменьшить концентрацию смесей возможно путем снижения интенсивности этих потоков средствами дегазации. При этом экономически наиболее эффективным способом является дегазация пластовыми скважинами с гидроразрывом, пробуренными из горных выработок параллельно забою и встречной направленной скважины над пластом.

5. Фактическое метановыделение из разрабатываемого пласта и отбитого угля (ОАО «Шахта Комсомолец», пласт Толмачевский) характеризуется, по сравнению с общепринятыми зависимостями, существенно большей скоростью затухания, что требует введения поправочных экспоненциальных функций с коэффициентами затухания (-0,0391) — для транспортируемого угля и (-0,0255) -для газовыделения через поверхность забоя, при общем множителе перед экс-понентой 0,7.

6. Величина коэффициента газовоздухораспределения определяет направление и интенсивность аэрогазового обмена между призабойным объемом и выработанным пространством при комбинированной схеме газоуправления и в отличии от общепринятой оценки по распределению воздуха позволяет устанавливать, с точностью ±40%, параметры аэрогазового обмена во всем диапазоне режимов, включая возвратноточную схему проветривания.

7. Взаимосвязь коэффициентов газовоздухораспределения и эффективности дегазации определяет область применения и параметры способов каптиро-вания метана. В частности, на примере лавы 1843 ОАО «Шахта Комсомолец» установлено, что с повышением производительности добычи угля до 10 000 т/сут и при расходе воздуха вдоль забоя 500 м3/мин необходимо обеспечить:

• приКг = 0,2:

— дегазацию разрабатываемого пласта с КЭф > 25% или дегазацию призабойной части выработанного пространства с КЭф > 50%;

• при Кг = 0,4:

— дегазацию разрабатываемого пласта с КЭф > 19%.

В первом случае применение дегазации можно исключить, если на сопряжении лавы с конвейерным штреком создавать местное аэродинамическое сопротивление, например, в виде пеноизолирующей полосы протяженностью в 40 м вдоль лавы, что снизит газообмен на 40%.

8. Разгрузка углеметанового пласта от литологического давления в процессе вскрышных работ на угольных разрезах инициирует переход среды в другое состояние, близкое к ранее существовавшему на соответствующей глубине разработки. Потенциал эмиссии метана при этом оценивается по разности этих состояний.

9. Разработанный метод определения эмиссионных ресурсов и газокинетических свойств массива горных пород для совершенствования комплексного газоуправления и установленные закономерности аэрогазодинамических процессов на выемочных участках указывают на достаточную перспективность комплексного газоуправления, обеспечивающего повышение производительности забоев до мирового уровня при соответствующей этому уровню газовой безопасности работ с возможностью использования в промышленных целях части выделяющегося метана.

Основное содержание диссертационной работы опубликованы в еле.

1. Полевщиков Г. Я., Козырева E.H. Обоснование параметров комплексной системы газоуправления на выемочном участке / II Международная конференция «Сокращение эмиссии метана» — Новосибирск, 2000. — С.419−424.

2. Козырева E.H. Обоснование объемов и технологий каптирования метана на шахтах Кузбасса / II Международная конференция «Сокращение эмиссии метана» — Новосибирск, 2000. — С.495−500.

3. Преслер В. Т., Козырева E.H. Оценка природных запасов метана по геологоразведочным данным на участках углегазового месторождения. / Вестник Куз-ГТУ. № 2, 2000. -С.58−61.

4. Полевщиков Г. Я., Преслер В. Т., Козырева E.H. Особенности аэрогазодинамических процессов на выемочных участках / Вестник КузГТУ. № 6, 1999. С.49−55.

5. Рудаков В. А., Козырева E.H. Возможный подход к совершенствованию методов оценки газодинамического состояния призабойной части пласта / Труды международной научно-практической конференции «Экологические проблемы угледобывающей отрасли в регионе при переходе к устойчивому развитию» -Кемерово, 1999. Т 2. — С. 196−200.

6. Рудаков В. А., Козырева E.H. Методы оценки газодинамического состояния призабойной части пласта. / Сборник научных трудов ВостНИИ «Предупреждение травматизма и аварий в угольных шахтах и на разрезах «-Кемерово, 1999. С.42−46.

7. «Способ проветривания высокогазообильных очистных забоев». Патент РФ № 2 149 263 от 25.03.1998 г. / Полевщиков Г. Я., Тризно С. К., Преслер В. Т., Гарна-га A.B., Козырева E.H.

8. Полевщиков Г. Я., Козырева E.H. Комплексное извлечение и использование ресурсов углеметановых месторождений. / Труды международной научнопрактической конференции «Наукоемкие технологии угледобычи и углеперера-ботки» — Кемерово, 1998. — С.21−23.

9. Козырева E.H. Оценка производительности газодобывающих скважин. / Труды международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии угледобычи и углепереработки» — Кемерово, 1998. — С.162−163.

10. Полевщиков Г. Я., Козырева E.H. Автоматизация прогноза и непрерывного контроля газопроявлений при проектировании и эксплуатации угольных шахт / Труды научно-технической конференции «Опыт и перспективы наукоемких технологий в угольной промышленности Кузбасса» — Кемерово, 1998. — С.53−60.

11. Полевщиков Г. Я., Козырева E.H. Оценка эмиссии метана при ликвидации шахт/ Труды международной научно-практической конференции «Экологические проблемы угледобывающей отрасли в регионе при переходе к устойчивому развитию» — Кемерово, 1999. Т 2. — С.220−223.

12. Полевщиков Г. Я., Козырева E.H. Повышение эффективности газоуправления на выемочном участке на основе направленного бурения длинных скважин из горных выработок. // Метан угольных шахт: прогноз, управление, использование. Препринт Метанового Центра. Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 1998.-№ 14. С.17−19.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации, являющейся научной квалификационной работой, содержится решение задачи определения эмиссионных ресурсов и газокинетических свойств массива горных пород для совершенствования комплексного газоуправления, имеющей существенное значение в области управления аэрогазодинамическими процессами на выемочных участках угольных шахт.