Подготовка и разработка высокогазоносных угольных пластов
Покупка
Издательство:
Горная книга
Авторы:
Рубан Анатолий Дмитриевич, Артемьев Владимир Борисович, Забурдяев Виктор Семенович, Захаров Валерий Николаевич, Логинов Александр Кимович, Ютяев Евгений Петрович
Год издания: 2010
Кол-во страниц: 500
Дополнительно
Вид издания:
Справочная литература
Уровень образования:
ДПО - повышение квалификации
ISBN: 978-5-98672-243-6
Артикул: 424786.02.99
Доступ онлайн
В корзину
Рассмотрены и обобщены вопросы подготовки и интенсивной разработки газоносных угольных пластов в шахтах Российской Федерации. Представлены технико-технологические решения для добычи угля в высокопроизводительных очистных забоях. Описаны рациональные схемы проветривания выемочных участков и шахтных полей. Приведены способы, схемы и параметры дегазации основных источников метановыделения, методические основы проектирования дегазационных систем, средства измерения и контроля параметров каптируемых метановоздушных смесей. Даны технологические решения, применение которых повышает безопасность ведения горных работ по газовому и пылевому факторам и снижает вероятность взрывов метанопылевоздушных смесей. Оценены ресурсы шахтного метана и рассмотрены перспективы его утилизации при подземной добыче угля для сокращения выбросов парниковых газов в атмосферу. Изложены рекомендации по подготовке и разработке метаноносных угольных пластов...
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- 21.00.00: ПРИКЛАДНАЯ ГЕОЛОГИЯ, ГОРНОЕ ДЕЛО, НЕФТЕГАЗОВОЕ ДЕЛО И ГЕОДЕЗИЯ
- ВО - Специалитет
- 21.05.04: Горное дело
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
УДК 622.817.47 ББК 33.31 Р82 Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых» СанПиН 1.2.1253—03, утвержденным Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 29.124—94). Санитарно-эпидемиологическое заключение Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека № 77.99.60.953.Д.014367.12.09 © Коллектив авторов, 2010, © Издательство «Горная книга», 2010 © Дизайн книги. Издательство «Горная книга», 2010 ISBN 978-5-98672-243-6 УДК 622.817.47 ББК 33.31 Рубан А.Д., Артемьев В.Б., Забурдяев В.С., Захаров В.Н., Логинов А.К., Ютяев Е.П. Р82 Подготовка и разработка высокогазоносных угольных пластов: Справочное пособие / Под общ. ред. А.Д. Рубана, М.И. Щадова. — М.: Издательство «Горная книга», 2010. — 500 с. (БИБЛИОТЕКА ГОРНОГО ИНЖЕНЕРА) ISBN 978-5-98672-243-6 (в пер.) Рассмотрены и обобщены вопросы подготовки и интенсивной разработки газоносных угольных пластов в шахтах Российской Федерации. Представлены технико-технологические решения для добычи угля в высокопроизводительных очистных забоях. Описаны рациональные схемы проветривания выемочных участков и шахтных полей. Приведены способы, схемы и параметры дегазации основных источников метановыделения, методические основы проектирования дегазационных систем, средства измерения и контроля параметров каптируемых метановоздушных смесей. Даны технологические решения, применение которых повышает безопасность ведения горных работ по газовому и пылевому факторам и снижает вероятность взрывов метанопылевоздушных смесей. Оценены ресурсы шахтного метана и рассмотрены перспективы его утилизации при подземной добыче угля для сокращения выбросов парниковых газов в атмосферу. Изложены рекомендации по подготовке и разработке метаноносных угольных пластов на горных отводах высокометанообильных шахт и описан опыт их реализации в нашей стране. Для научных и инженерно-технических работников угольной промышленности, специалистов проектных, научных и образовательных организаций, деятельность которых связана с разработкой угольных месторождений подземным способом.
ПРЕДИСЛОВИЕ Уголь, как свидетельствуют не только тенденции долгосрочного развития мирового рынка энергоносителей, но и тенденции изменения мирового угольного рынка в условиях масштабного финансово-экономического кризиса, остается энергоносителем, являющимся одним из основных компонентов мирового топливно-энергетического баланса наряду с нефтью и природным газом, по крайней мере, до 2030 г., что важно для России с ее огромными угольными ресурсами, которые значительно превышают ресурсы нефти и газа. Уголь останется одним из самых надежным и востребованных человеком источников энергоснабжения в обозримом будущем. Вместе с тем, российские угольные месторождения, прежде всего Кузбасса и Воркуты, являются высокометаноносными, и при их разработке подземным способом из каждой тонны угля газоносных пластов выделяется в среднем 18,6 м3 метана, что создает значительный барьер для экономически и технически обоснованного увеличения производительности очистных и проходческих забоев. Российские предприятия будут априори рентабельными при добыче угля не менее 2–3 млн т из комплексно-механизированного забоя в течение года, или не менее 8–15 тыс. т угля в сутки. Однако при разработке высокометаноносных угольных пластов с такой производительностью очистных забоев в выработки выемочных участков выделяется до 75–90 м3/мин метана. Обильное выделение метана в горные выработки при определенных обстоятельствах может спровоцировать взрывы метановоздушных смесей, сопровождающиеся гибелью людей, существенными потерями объемов добываемого угля и огромными затратами средств на ликвидацию последствий таких аварий. Это предопределяет необходимость применения эффективных схем вентиляции выемочных полей и участков, способов и схем дегазации источников метановыделения, а также формирования дегазации как технологического процесса извлечения и утилизации шахтного метана, имеющего четкую структуру стадий, операций и собственный продукт — каптируемые и пригодные для утилизации метановоздушные смеси. Наше справочное пособие основано на многочисленных исследованиях, выполненных авторами и участниками данной работы в рамках различных научных исследований и проектов (по проблемам метанобезопасности шахт). Особое место среди данных исследований занимает выполненный в УРАН ИПКОН РАН и ОАО «СУЭК» совместно с ФГУП «Гипроуглеавтоматизация», ИУ и УХ СО РАН и рядом других организаций проект по
государственному контракту № 02.532.11.9001 Федерального агентства по науке и инновациям, который позволил синтезировать эти исследования, реализовать их в виде результатов научно-исследовательских, опытно-конструкторских, опытно-технологических работ и внедрить в промышленность ряд принципиально важных концептуальных положений для создания конкурентоспособной на мировом угольном рынке по производительности и безопасности труда энергоэффективной российской шахты по добыче угля и извлечению шахтного метана. Справочное пособие содержит результаты исследования вопросов нормализации рудничной атмосферы на выемочных полях шахт при разработке метаноносных пластов угля с применением высокопроизводительной очистной техники путем реализации в конкретных горно-технических условиях рациональных новых технологических решений, в том числе: схем подготовки и разработки газоносных угольных пластов; схем проветривания; способов, схем и параметров дегазации основных источников метановыделения; комплекса мероприятий по первоочередному извлечению метана из разрабатываемых пластов угля с последующим увлажнением угольного массива, а также исполнительных органов угледобывающих комбайнов с низким пылеобразованием; средств пылеподавления, исключающих воспламенение метанопылевоздушных смесей от фрикционного искрения. В книге представлены основы проектирования шахтных дегазационных систем, включая обустройство скважин, дегазационные трубопроводы и вакуум-насосные станции, средства контроля параметров каптируемых метановоздушных смесей. Описаны способы утилизации извлекаемого средствами дегазации шахтного метана, приведены прогнозные данные об утилизации каптируемых метановоздушных смесей путем выработки из них электрической и тепловой энергии с точки зрения экономической эффективности. Обобщен опыт внедрения типовых схем подготовки и разработки метаноносных пластов с использованием современных средств угледобычи на высокопроизводительных шахтах с интенсивными выделениями метана. Даны рекомендации по выбору схем подготовки и разработки высокогазоносных пластов угля, совершенствованию технологии управления метано- и пылевыделениями на высокопроизводительных выемочных участках, по применению способов утилизации каптируемых метановоздушных смесей для повышения безопасности ведения горных работ по газовому и пылевому факторам и проведению мероприятий для защиты воздушного океана Земли от выбросов парниковых газов. Справочное пособие написано по материалам выполненного комплекса работ, включающего в себя теоретические и экспериментальные исследования, шахтные наблюдения, обоснование и реализацию предложений по новым технико-технологическим решениям для исключения или снижения
отрицательного влияния повышенных объемов выделения метана и пыли на процессы угледобычи и вредного их воздействия на рудничную атмосферу и воздушное пространство нашей планеты в угледобывающих регионах России. Справочное пособие предназначено для широкого круга специалистов угольных компаний, проектных, научных организаций, профессорско-преподавательского состава и студентов образовательных учреждений горного профиля, которым, как надеются авторы книги, она поможет в решении проблем технологического обеспечения высокоинтенсивной подземной угледобычи при разработке газоносных пластов. В подготовке отдельных разделов этой книги, кроме авторов, принимали участие сотрудники УРАН ИПКОН РАН, специалисты угольных компаний, разрабатывающих метаноносные угольные месторождения на территории Российской Федерации, а также сотрудники научных организаций, которым авторы выражают свою благодарность.
Глава 1 ПОДГОТОВКА ГАЗОНОСНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ К ИНТЕНСИВНОЙ ОТРАБОТКЕ 1.1. МЕТАН УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ Многочисленные угольные регионы зарубежных стран, СНГ и России рассматриваются, главным образом, как угольные месторождения, хотя многие из них являются достаточно крупными месторождениями метана, который содержится в угольных пластах, рассеянном угольном веществе и породах. Метан — экологически чистое полезное ископаемое с теплотой горения 50–56 МДж/кг. Сжигание 1000 м3 метана эквивалентно по теплотворной способности сжиганию 1,3–1,5 т угля. Метан целесообразно добывать и использовать как попутное полезное ископаемое угольных месторождений. Максимально возможное извлечение метана из шахт необходимо еще и по соображениям безопасности: ведь он основной и весьма опасный компонент природных газов, содержащихся в угольных пластах и углевмещающих породах, а с рудничным воздухом образует горючие и взрывчатые смеси. По информации [1] количество метана, заключенного в недрах основных угольных бассейнов СНГ (Донбасс, Кузбасс, Карагандинский и Печорский), оценивается в 77 трлн м3, из которых в угольных пластах и пропластках содержится 14,5 трлн м3. К промышленным ресурсам метана при существующей технологии его извлечения отнесены 2,6 трлн м3, а при новых технологиях ближайшего будущего — 7 трлн м3. Промышленные ресурсы метана в угольных месторождениях устанавливают, подсчитывая запасы угля и метана как попутного полезного ископаемого (геолого-экономическая оценка запасов). Они могут быть определены также на основе прогноза метановыделений из разрабатываемых пластов с учетом их долевого участия в газовом балансе шахты или по данным ретроспективного анализа объемов добычи угля и выделений метана в угольных шахтах [1]. Геолого-экономическая оценка и подсчет запасов метана в угольных пластах осуществляется в соответствии с действующими нормативно-методическими документами комиссией по запасам полезных ископаемых. Геологической основой подсчета служат закономерности распределения природных газов в угольных месторождениях, количественные характеристики метаноносности угольных пластов и их изменение с глубиной залегания и по площади шахтных полей [2].
В качестве границ подсчета запасов шахтного метана принимаются контуры, в пределах которых его извлечение при отработке угольных пластов технологически необходимо по условиям безопасного ведения горных работ по газовому фактору. Местоположение границ устанавливается в соответствии с «Методическими рекомендациями о порядке дегазации угольных шахт» [3]. Все запасы метана, в том числе и в пластах с забалансовыми запасами угля, и в нерабочих пластах, подсчитанные в контурах возможного извлечения метана, относятся к балансовым. Кроме того, в этих контурах оцениваются прогнозные ресурсы метана в нерабочих тонких пластах и пропластках угля. Общие ресурсы метана в пределах шахтного поля (блока, пласта, горизонта) определяются путем умножения запасов угля в нем на среднюю метаноносность угля и коэффициент сухой беззольной массы. При этом прогноз ресурсов метана, выделяющегося в горные выработки и дегазационные сети угольных шахт, может быть достаточно эффективен при наличии сведений и исходных данных о порядке отработки угольных пластов в свите, календарном плане ввода и вывода выемочных участков, добыче угля, системах разработки, способах проветривания горных выработок и дегазации источников метановыделения, а также исчерпывающих данных о стратиграфических разрезах углевмещающей толщи, мощности и метаноносности угольных пластов, зольности и влажности углей и другой информации, предусмотренной требованиями РД-15-09–2006. Расчеты метанообильности выемочных участков и шахт в целом выполняются по программам на основе положений нормативных документов [3, 4]. Отсутствие достоверных данных о промышленных запасах метана угольных месторождений и отдельных шахт может привести к затруднениям и даже ошибкам при составлении проектов для добычи и использования угольного метана. Поэтому необходимо знать объемы и сроки устойчивого извлечения метана из угольных пластов, интенсивность его выделения в горные выработки и дегазационные системы шахт, содержание метана в каптируемых различными способами газовоздушных смесях как в метанообильных шахтах, так и в угольных регионах. Решение поставленной задачи осложняется прежде всего тем, что метан, содержащийся в угольных месторождениях, извлечь и использовать в полном объеме не представляется возможным, так как в угольных пластах он находится преимущественно в сорбированном состоянии и может быть извлечен, причем в значительно меньших количествах по отношению к исходному, главным образом, в процессе разгрузки угольных пластов и углевмещающих пород от горного давления, когда создаются благоприятные условия для десорбции и истечения газов. Такие условия формируются во время подземной разработки угольных месторождений. Потенциальные объемы шахтного метана, содержащегося в угольных пластах и метаноносных породах, на примере Томь-Усинского и Мрасского
геолого-промышленных районов Кузбасса приведены в табл. 1.1. При существующих технологиях добычи угля и интенсивности выделения метана в горные выработки и дегазационные скважины из углепородного массива извлекается только часть общего объема метана. Значительная его доля остается в сорбированном состоянии в частично подработанных и надработанных угольных пластах и пропластках, а также в свободном состоянии в выработанных пространствах, полостях и трещинах, формируемых в процессе ведения горных работ и разгрузки углепородного массива. Кроме того, небольшое количество метана, заключенного в разрабатываемых угольных пластах, выдается на дневную поверхность в добытом угле и остается в шахтах в потерянном угле. Доля теряемых объемов метана зависит от способов и средств его извлечения, систем разработки угольных пластов и схем проветривания выемочных участков. При существующих технологиях добычи угля, схемах проветривания горных выработок и дегазации углевмещающих толщ потери метана от потенциально возможных объемов его выделения в шахтах составляют в различных условиях в среднем 15–30%. При проведении исследований [1, 5, 6] установлено, что ресурсы метана, рассчитанные по метаноносности разрабатываемых угольных пластов и определенные по ретроспективному методу, сопоставимы между собой, но в 6–8 раз меньше объемов метана, содержащегося в угленосных отложениях. Объемы метана, выделяющегося в горные выработки и дегазационные скважины, — реальные ресурсы, на которые следует ориентироваться при составлении проектов по добыче и использованию шахтного метана, прежде всего метана дегазации. Анализ фактических данных свидетельствует о том, что в шахтах с дегазацией, составляющих треть метанообильных шахт, добывается 40–45% угля. При этом метановыделение в шахтах с дегазацией равно 75% объема всего шахтного метана. Дегазационными системами извлекается от 30 до 60% метана, выделяющегося в шахтах с дегазацией. Однако объемы использования каптируемого в российских шахтах метана явно недостаточны. Метан, выдаваемый из шахт вместе с рудничным воздухом, вовсе не используется. Поэтому в атмосферу Земли ежегодно выбрасываются 1,5–1,6 млрд м3 шахтного метана. Таблица 1.1 Ресурсы угольного метана в геолого-промышленных Томь-Усинском и Мрасском районах Кузбасса Районы Ресурсы угольного метана, трлн м3 В том числе в угольных пластах во вмещающих породах и пропластках угля Томь-Усинский Мрасский 2,6 0,93 1,0 0,29 1,6 0,64 ИТОГО 3,53 1,29 2,24
Перспектива извлечения метана на действующих шахтных полях есть в Кузбассе и в меньшей степени в Воркутском месторождении. Сроки отработки угольных пластов и попутной добычи шахтного метана в этих регионах в среднем могут составлять соответственно 100 и 30 лет. По объемам реальных ресурсов шахтного метана, в том числе каптируемого, большие перспективы имеются в Кузнецком бассейне. Но в настоящее время средние показатели эмиссии метана и его извлечения средствами дегазации, отнесенные к одной шахте, наиболее предпочтительны в Воркутском месторождении: каптаж метана на отдельных шахтах достигает 25–30 м3/т при их относительной метанообильности 50–60 м3/т. Под эффективностью дегазации понимается отношение количества метана, извлеченного за определенное время средствами дегазации, к общему объему метана, выданного за то же время на дневную поверхность средствами вентиляции и дегазации. Этот показатель необходим для анализа шахт отрасли и основных угольных бассейнов по метану как газообразному топливу, а также с целью экологической оценки состояния атмосферы Земли по выбросам шахтного метана. Наиболее высок этот показатель в Воркуте, где средняя объемная доля метана в каптируемой газовоздушной смеси составляет 35–40%, что выше нижнего предела (25%), установленного для случаев использования метана в промышленных условиях методом сжигания [3]. В остальных бассейнах и в целом по отрасли средняя концентрация метана в каптируемой смеси на половине вакуумных станций ниже нормы, что свидетельствует о наличии шахт, дегазационные системы которых функционируют непроизводительно, с нарушением технологии ведения дегазационных работ, главным образом, из-за неэффективности выбранных способов и параметров дегазации источников метановыделения и низкого качества герметизации устьев скважин. На шахтах с низкой продуктивностью дегазационных систем необходима разработка и реализация новых технических решений, направленных на повышение объемов извлечения метана и его использования. Прирост показателей дегазации в угольных шахтах на ближайшие годы при существующих технологиях добычи угля, техники и технологии извлечения метана дегазационными системами возможен в 1,3–2 раза: 1,3 — в Воркуте, 2 — в Кузбассе. Это достижимо, прежде всего, за счет внедрения более эффективных способов и параметров дегазации источников метановыделения, повышения концентрации метана в каптируемой газовоздушной смеси благодаря своевременному бурению и качественной герметизации устьев скважин, хорошей организации ведения дегазационных работ для добычи и использования метана угольных месторождений. Стремление к наиболее полному использованию природных энергетических ресурсов привело к пересмотру роли дегазации на угольных шахтах. На дегазацию необходимо смотреть не только как на средство повышения
безопасности горных работ, но и как на способ добычи метана с последующим его использованием в хозяйственных регионах. Дегазация — это, прежде всего, способ снижения газообильности горных выработок, преследующий совместно с вентиляцией повышение производительности шахт по углю с гарантией безопасности ведения горных работ. Утилизация шахтного метана к тому же существенно снижает объемы вредных выбросов газа в атмосферу нашей планеты. Опыт работы шахт России с высокой газообильностью выработок указывает на то, что применение методов извлечения метана из различных источников его выделения [1, 3, 5–7] одновременно снижает риск формирования взрывоопасных метановоздушных смесей и сокращает выбросы метана в земную атмосферу при его утилизации. Добываемый специальными способами или попутно с добычей угля метан позволяет в отдельных случаях рассматривать угольное месторождение как газоугольное и со значительным экономическим эффектом дополнительно к углю использовать шахтный метан как экологически чистый энергоноситель. Практика ведения дегазационных работ по известным технологиям [3] показывает, что наиболее эффективная дегазация угольных пластов может быть осуществлена в случае, если в коллекторе газа нарушено природное равновесное состояние системы уголь–метан и образована искусственная трещиноватость угольного массива. Кроме того, метан может извлекаться из неразгруженных угольных пластов за счет их естественной (природной) газопроницаемости, а также с применением средств воздействия на угольный массив для повышения его газоотдачи. Поэтому в зависимости от продолжительности проведения дегазационных работ могут быть применены схемы предварительной или текущей дегазации. В первом случае дегазация угленосной толщи производится из угольных пластов, не подверженных разгрузке от горного давления. Дегазация осуществляется через скважины из подземных выработок или скважин, пробуренных с земной поверхности, чаще всего с гидровоздействием [8]. Текущая дегазация углепородных массивов осуществляется непосредственно в зонах влияния горных работ, т.е. с использованием эффекта разгрузки углепородного массива как наиболее мощного по сравнению с другими способами энергетического воздействия на горный массив. Извлечение метана из углепородного массива, нарушенного горными работами, осуществляется, прежде всего, из подрабатываемых и надрабатываемых пластов и пропластков угля. Параметры расположения скважин (длина, углы заложения и др.) выбираются исходя из зависимостей, учитывающих процессы сдвижения пород [3], которые в каждом конкретном случае имеют свои особенности, что обусловливает необходимость проведения опытных работ в шахтах для типичных групп условий с последующим тиражированием полученных результатов на другие аналогичные по горно-техническим условиям шахты.
Основные требования, предъявляемые к способам и средствам извлечения метана для обеспечения наибольшей эффективности и повышения безопасности ведения горных работ, заключаются в следующем: наличие достоверных данных о газоносности пластов, их газоотдаче и других горно-геологических условиях; оценка возможных объемов и динамики извлечения метана; выбор способов и средств дегазации с учетом природных, технологических и газодинамических факторов; определение параметров, способов и схем эффективного извлечения метана из основных его источников; реализация на практике проектов дегазации шахт и выемочных участков. Важными моментами при составлении проектов дегазации шахт или выемочных участков являются прогноз фактического количества извлекаемой метановоздушной смеси, ее качества по метану и выбор потребителей каптируемого газа. В глубоких шахтах возникает необходимость в разработке и реализации способов интенсификации газоотдачи неразгруженных угольных пластов с обеспечением коэффициента извлечения метана не менее 50–60%. Извлекаемую вакуум-насосными станциями метановоздушную смесь целесообразно использовать в энергетических установках. Основные положения по способам и средствам утилизации каптируемого метана изложены в РД-15-09–2006 [3], в котором учтен российский опыт извлечения, подготовки и использования метана угленосных толщ в промышленных теплоэнергетических установках, работающих на газовоздушных смесях с различными концентрациями в них метана. Интенсификация процессов угледобычи в шахтах, как это предполагается осуществить в соответствии с программой развития угольной отрасли России, способствует существенному росту объемов выделения метана в горные выработки. В этих условиях приоритетными следует считать мероприятия, направленные на существенное перераспределение метановых потоков между вентиляционной и дегазационной системами шахт, со значительным повышением роли дегазации. Актуальным является прогноз объемов метановыделения и динамики газоотдачи угольных пластов, условий применения рациональных методов управления газовыделением и дегазации источников метановыделения как с точки зрения влияния степени дегазации угольных пластов и выработанных пространств на производительность и безопасность горных работ, так и на защиту окружающей среды от выбросов вредных газов в атмосферу. Их показатели могут быть высокими только при эффективных технологиях извлечения метана из разрабатываемых и сближенных угольных пластов [3]. Сложность вопросов борьбы с газом еще больше возрастает при разработке угольных пластов на глубоких горизонтах, поскольку с ростом глубины увеличивается метаноносность пластов угля, газообильность шахт − − − − −
Доступ онлайн
В корзину