Выработанные пространства метанообильных угольных шахт

В. С. Забурдяев




ВЫРАБОТАННЫЕ ПРОСТРАНСТВА МЕТАНООБИЛЬНЫХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Монография























Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 622.2/333
ББК 33.31
     3-12



Рецензенты:
доктор технических наук Малинникова Ольга Николаевна; доктор технических наук Подображин Сергей Николаевич




     Забурдяев, В. С.
3-12      Выработанные пространства метанообильных угольных шахт : моно-
     графия / В. С. Забурдяев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. -136 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1288-9

           Исследованы вопросы содержания метана в основных источниках его выделения, метанообильности выработанных пространств при очистной выемке угля, взаимодействия капель жидкости и частиц пыли, петрографических особенностей ископаемых углей и их влияние на выделение метана и пыли, взрываемость метанопылевоздушных смесей. Приведены фактические данные о метаноносности угольных пластов в массиве и зоне влияния очистного забоя, метановыделении в горные выработки и дегазационные скважины. Изучены газодинамические процессы на выемочных участках и фрикционное искрение как источник воспламенения метана. Предложены способы и средства для предотвращения воспламенения метана и угольной пыли от фрикционного искрения в процессе выемки угля горными комбайнами.
           Для научных и инженерно-технических работников, студентов, аспирантов и соискателей научных степеней горного профиля.

                                                          УДК 622.2/333
                                                          ББК 33.31









ISBN 978-5-9729-1288-9

     © Забурдяев В. С., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ПРЕДИСЛОВИЕ


      На угольных шахтах России вопросы повышения производительности, обеспечения безопасности и санитарно-гигиенических условий труда шахтеров играют важную роль. Среди актуальных проблем в процессе высокопроизводительной разработки газоносных пластов являются предотвращение вспышек и взрывов метана и угольной пыли, создание здоровых условий труда, при которых исключалось бы воздействие на работающих опасных и вредных производственных факторов, порождающих травматизм, аварии и заболевания. Наличие в рудничной атмосфере, помимо пыли, различных газов и паров ускоряет возникновение легочных заболеваний и ухудшает их течение, а наличие гибридных смесей (например, метан - воздух, угольная пыль - воздух, угольная и пиритная пыль, метан - водород - воздух, метан - сероводород - воздух, всевозможные комбинации выше отмеченных составляющих) многократно и в более ранние сроки ускоряет процессы вспышек и взрывов гоазопылевоздушных смесей, поскольку гибридные смеси способствуют образованию взрывоопасных ситуаций.
      Взрывы газовоздушной смеси способствуют взрывам угольной пыли, которые сопровождаются большими разрушениями горных выработок и человеческими жертвами, причиной тому в определенное время являлись сокращение финансирования и материально-технического обеспечения мер по безопасности производства и охране труда, низкий уровень правовых знаний и дисциплины труда, протекания газодинамических процессов в шахтах, недостаточный объем научных исследований, направленных на разработку и применение современных средств контроля, средств индивидуальной и коллективной защиты шахтеров. Из-за снижения уровня оплаты труда некоторые учёные и инженеры, разрабатывавшие средства снижения рисков техногенных аварий, вынуждены были уйти из этой области трудовой деятельности. Доля специалистов высшей квалификации уменьшилась до 5 % экономически активного населения, что на порядок меньше, чем в Германии. Потери добычи угля, связанные с нарушениями производственной и технологической дисциплины, составляли от 0,5 до 1 млн тонн, обусловлены вспышками и взрывами метанопылевоздушных смесей, преимущественно в выработанных пространствах высокопроизводительных шахт.
      Еще в XV веке немецкий ученый Георг Агрикола (Бауэр), обобщив опыт горно-металлургического производства, отметил, что горняку нельзя быть несведущим во многих других искусствах и науках, ибо благодаря этому он не сможет находить более легкий и удобный путь к недрам Земли и получать более обильные плоды, в том числе и в наше время применительно к угольным залежам при высокопроизводительной и безопасной их разработке.

3

     В 2006 г. в Москве состоялся Международный форум «Энергетика и уголь России: тенденции, прогноз, международное сотрудничество». Российские специалисты - угольщики, энергетики, производители оборудования и перевозчики угля - встретились со своими коллегами из ведущих стран мира, чтобы обсудить перспективы развития угольной промышленности и энергетического сектора России в русле общемировых тенденций. Мир признал уголь топливом будущего, что весьма важно для России, обладающей огромными ресурсами этого ценного сырья.
     С системным кризисом 90-х годов покончено, российские угольные компании готовы на равных конкурировать с мировыми лидерами горнодобывающей промышленности как по объемам продаж и качеству продукции, так и по уровню промышленной и экологической безопасности, производительности труда.
     На угле производится 39 % всей электроэнергии в мире. Уголь является основой энергетики США, Германии, Китая, Индонезии, ЮАР, Австралии и большинства стран Центральной Европы. Запасы угля значительно превышают ресурсы нефти и газа, и это та причина, по которой уголь будет оставаться самым надежным и потому востребованным источником энергоснабжения человечества в обозримом будущем.
     Для России освоение запасов угля было и остается основой могущества государства: геополитического, экономического и военного. В 2005 г. доля углей для коксования в общей добыче составила 23,3 %. Основной объем добычи этих углей приходится на предприятия Кузбасса. О значимости Кузбасса говорят как об угольной кладовой России.
     В процессе разработки угольных пластов подземным способом выделяется рудничный газ - метан. Метан - один из самых коварных врагов шахтера. Чем глубже в недра земли уходят горные работы и чем интенсивнее ведется добыча угля из пластов, тем больше выделяется метана, и тем выше опасность возникновения вспышек и взрывов в таких регионах, как Кузбасс и Воркутское месторождение.
     В монографии освещены исследования по геотехнологическим проблемам разработки опасных по газу и пыли угольных пластов.
     На основании литературной и патентной информации, а также собственных исследований и обобщений рассмотрены структура углей и их вещественнопетрографический состав, влияющие на метаноносность и взрывчатые свойства угольной пыли. Большое внимание уделено тем шахтам, на которых, к сожалению, происходили взрывы метана и угольной пыли.
     Рассмотрены вопросы фрикционного искрения как источника воспламенения метана и особенности нижнего предела взрываемости отложившейся 4

угольной пыли. Оценена взаимосвязь пылеобразующей способности угольных пластов и их метаноносности. Изучена эффективность подавления пыли и га-зопылевзрывозащиты. Уделено внимание заболеваемости шахтёров антракоси-ликозом, а также экологическим проблемам разработки угольных месторождений.
     Определены показатели газоотдачи угольных пластов в подготовительные выработки и дегазационные скважины. Исследовано газодинамическое состояние угольного пласта при его дегазации и увлажнении. Изложены перспективные геотехнологические направления обеспечения безопасности труда в шахтах по факторам газа и пыли.
     Месторождения России располагают крупнейшими в мире запасами каменного угля и являются самыми метаноносными: 8,3 кг метана в 1 тонне угля, против 7,4 кг/т в Великобритании, 6,7 кг/т в КНР, 5,0 кг/т в США и 3,6 кг/т в ФРГ. Незначительная глубина залегания поверхности зоны метановых газов и высокий сорбционный потенциал углей обусловили высокую газоносность углепородных толщ, где на достигнутых к настоящему времени глубинах ведения горных работ метаноносность угольных пластов достигает 25-28 м³/т с.б.м., абсолютная газообильность наиболее газовых шахт 150-180 м³/мин, выемочных участков - 80-90 м³/мин. В течение года в угольных шахтах РФ выделяется до 1,5-1,6 млрд м³ метана.
     Исследования, выполненные в рамках проблемы комплексного освоения недр Земли и новых технологий извлечения полезных ископаемых из минерального и техногенного сырья, позволили оценить ресурсы метана газоносных месторождений России, определить метанообильность угольных шахт и количественные показатели метановыделения в шахтах при различных технологиях выемки угля и способах управления газовыделением, сформулировать научные, организационные и технические задачи по концепции добычи метана на угольных шахтах, методическим основам и методике прогнозирования ресурсов метана, объемов его выделения, извлечения и использования.
     Многолетними исследованиями, проведёнными в различных угольных бассейнах России и других стран СНГ, изучены вопросы генезиса газов угольных месторождений, их химический состав, условия миграции газов в угленосных отложениях, установлены основные физико-химические факторы, обусловливающие коллекторские свойства углей и пород, а также решены многие вопросы выделения газов в горные выработки шахт. Результаты труда ученых и геологов нашли отражение в нормативно-методическом документе «Инструкция по определению и прогнозу газоносности угольных пластов и вмещающих пород при геологоразведочных работах» и «Инструкции по дегазации угольных шахт».

5

     Угленосные отложения в бассейнах и месторождениях России так же, как и в углегазовых месторождениях других стран мира, характеризуются преимущественно неравномерным распределением газоносности, геологические условия весьма разнообразны для образования газосодержащих отложений. Угленосность и степень метаморфизованности углей крайне изменчивы, наблюдается довольно резкое изменение метаморфизма углей, встречаются слабометаморфизо-ванные антрациты, преобладают угли средних стадий метаморфизма. С ростом метаморфизма углей возрастает газоносность угольных пластов.
     Среднесуточная добыча угля в газовых шахтах России за последние 25-30 лет увеличилась в 7-8 раз и достигла в комплексно-механизированных забоях (КМЗ) 4,75,1 тыс. т, в наиболее производительных сверхкатегорных шахтах - 10-15 тыс. т, в отдельных случаях - 25-30 тыс. тонн угля в сутки.
     Добыча угля в метанообильных шахтах сопровождается выделениями значительных объемов метана, что усложняет процесс интенсивной работы очистной техники, показатели которой в газовых шахтах в несколько раз меньше, чем в благоприятных по газовому фактору негазовых шахтах и шахтах с низкими объемами выделения метана в горные выработки.
     Углубление горных работ и рост метаноносности пластов угля до 2025 м³/т с.б.м. способствуют интенсивному выделению метана в шахтах Кузбасса до 100-165 м³/мин, в шахтах Воркуты - до 140-155 м³/мин. При таких высоких показателях метановыделения в горные выработки очистные забои работают с применением комплекса способов и схем дегазации разрабатываемых и сближенных угольных пластов и выработанных пространств с объемами каптируемого метана до 60-65 м³/мин на шахтах Кузбасса и до 80-105 м³ метана на шахтах Воркутского угольного месторождения.
     Актуальны разработка новых технико-технологических решений, оценка их эффективности, перспективных методов управления газовыделением на выемочных участках высокопроизводительных метанообильных шахт, изучение условий формирования метановых потоков в шахтах и взрывоопасных ситуаций по пылевому фактору, методов оценки вероятности взрывов метанопылевоздушных смесей при подземной добыче угля, условий и причин возникновения аварий по газу и пыли, эффективность мероприятий по снижению объёмов выделения метана в очистных забоях, прогнозы динамики роста подземной добычи угля и объёмов га-зовыделений в них.
     Положительные результаты достигнуты путём обобщения передового опыта работы шахт при отработке газоносных пластов угля, внедрения новых высокоэффективных технологических решений по снижению объёмов выделения метана в шахтах и предотвращения взрывоопасных ситуаций при подземной разработке метаноносных угольных пластов, базируются на результатах исследований, выполненных в2011-2019 годах, до коронавируса COVID-19.

6

     Исследования выполнены в Институте проблем комплексного освоения недр им. академика Н.В. Мельникова Российской академии наук.
      Искренне признателен сотрудникам лаборатории и горному инженеру-исследователю Т.В. Сабяниной за помощь в компьютерном оформлении первичного текста монографии.

7

1. ГАЗЫ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
1.1. Геологические запасы угля в России

     В технической литературе принято считать, что 1 тонна каменного угля равна 1,0 т у.т., 1 тонна бурого угля - 0,4 т у.т., нефти - 1,4, 1000 м³ газа -1,3 т у.т.
     Ресурсы угля в России составляют 1/3 мировых, разведанные запасы - 1/5. Последние по стране составляют более 193 млрд т, из них 44 % каменные угли (в том числе 21 % коксующиеся) и 7 % антрациты. Остальное бурый уголь. Промышленные запасы действующих предприятий - 19 млрд т. Запасов угля в РФ для разработки при существующем уровне добычи хватит на 550 лет. На долю РФ приходится около 5 % мировой добычи угля [1-3].
     В пределах Российской Федерации находятся 22 угольных бассейна и 129 отдельных угольных месторождений. Добыча угля ведется в 7 федеральных округах, 25 субъектах РФ и в 85 муниципальных образованиях, из которых 58 являются углепромышленными территориями на базе градообразующих угольных предприятий. На 01.01.2020 г. было 187 предприятий (57 угольных шахт, 130 разрезов). Почти вся добыча угля осуществлялась акционерными обществами. Три четверти всего добываемого угля приходилось на 15 крупных управляющих компаний, в их числе АО «СУЭК», АО «УК «Кузбассразрезуголь», АО ХК «СДС-Уголь», ООО «УК Мечел-Майнинг», «Северсталь-Ресурс», «ЕвразГрупп», Группа «Сибантрацит», ПАО «Кузбасская ТК» и др. Почти все шахты, добывающие коксующиеся угля, интегрированы в металлургические холдинги, среди них «Мечел-Майнинг» (группа «Мечел»), «ЕвразХолдинг» («ЕвразГрупп»), «Северсталь-Ресурс» («СеверСталь»), УГМК, «Холдинг Сибуглемет», Магнитогорский металлургический комбинат (ММК), Промышленнометаллургический холдинг (ПМХ).
     В России в 2019 г. добыто 441,4 млн т угля, подземным способом -107,3 млн т. Уголь потребляется во всех субъектах РФ. Основные потребители угля - это электростанции и коксохимические заводы. Открытым способом добыто 75,7 % российского угля (334,2 млн т). Главным по объему поставщиком угля является Кузнецкий угольный бассейн (57 % всего добываемого в стране угля и 75 % - углей коксующихся марок). Доля добытого угля по бассейнам: Кузнецкий - 250,5 млн т, Канско-Ачинский - 41,2 млн т, Печорский - 10,2 млн т, Донецкий - 5,4 млн т. Из общего объема произведенного в стране угля 103 млн т приходится на коксующиеся угли. Масштаб и развитие горной промышленности определяют богатство страны, ее могущество и процветание [3-6]. Важная роль в этом отводилась угольной промышленности.


8

     Динамика подземной добычи угля в России свидетельствует, что производство угля в России возрастало до 1988 г., после чего отмечен существенный спад в объемах добычи угля, обусловленный проводившейся реструктуризацией угольной отрасли. С 1999 г. отмечен рост объемов добычи угля подземным способом. Показатели очистной добычи угля подземным способом, причём преимущественно за счёт интенсификации очистной выемки угля. Среднедействующее число оборудованных механизированными крепями очистных забоев в 2001 г. сокращено на 10 единиц, увеличена средняя длина лав на 5 м, скорость подвигания очистных забоев и добыча в них угля возросли, соответственно, на 6,3 м/сут и на 182 т/сут, доля комплексно-механизированных забоев (КМЗ) доведенадо 90 %.
     Показатели геологических запасов угля передовых стран мира приведены в табл. 1.1,а показатели развития угольной промышленности РФ - в табл. 1.2.


Т а б л и ц а 1.1

Геологические запасы угля в мире

Страна    Геологические запасы угля, млрд тонн Доля, %
Россия                    5319                   36   
   США                    3600                   24   
  Китай                   1500                   10   
Австралия                 864                     6   
Канада                    582                     4   
Прочие                   2928,8                  20   

Т а б л и ц а 1.2

Основные показатели развития угольной промышленности РФ

 Наименование                     Годы                          
  показателя    1990  1995  2000  2005   2010    2015   2020*) 
Добыча угля,                                                   
млн т, в том    395,4 263,7 257,9 298,3 280-310 310-330 375-430
числе:                                                         
Кузнецкий       144,6 92,9   108   133  149-164 152-165 169-178
бассейн                                                        
Канско-Ачинский 51,2  30,6   35    37    49-63   61-78  78-114 
Доля открытого                                                 
способа добычи  55,8   58    62    65     72      75     75-80 
угля, %                                                        

*⁾ Согласноранее выполненным прогнозам.

9

     Поставки угля на российский рынок с учётом импорта в первое десятилетие XXI века составили на электростанции - 107-128 млн т, коксохимзаводы -37-44, населению - 22-27, остальным потребителям - 26-45 млн т.
     Выполненные исследования большой группы ведущих ученых, геологов, горных инженеров и экономистов страны позволили получить новую оценку сырьевой базы отрасли при условии ее рентабельной работы в рыночной экономике. Все разведанные ранее запасы угля (201,7 млрд т) были разделены на «благоприятные» и «неблагоприятные». Установлены необходимость и возможность исключения около 40 % низкорентабельных и нерентабельных запасов углей. Однако это не меняет принципиальной оценки угля как наиболее надежного энергоносителя на длительную перспективу ввиду значительных остающихся «потенциально рентабельных» его запасов, и в то же время позволяет исключить из разработки целые шахты и отдельные месторождения с запасами, не соответствующими современным технико-экономическим требованиям. Соответственно имеется возможность сконцентрировать добычу на запасах «высокотехнологичных» углей в наиболее благоприятных горно-геологических и природногеографических условиях, причём на наиболее рентабельных месторождениях угля.
     Большинство благоприятных, высокотехнологичных разведанных промышленных запасов углей для подземной отработки сконцентрировано в двух угледобывающих регионах: Кузнецком каменноугольном бассейне и Воркут-ском месторождении Печорского бассейна.
     Реструктуризация сырьевой базы отрасли во многом была связана с отказом от утвердившейся в условиях плановой системы концепции максимально полного извлечения запасов независимо от рентабельности добычи угля. Был введен рабочий термин «технологичность запасов», под которым понимается мера восприимчивости запасов угля в недрах к использованию высокопроизводительной техники, а также экономическая эффективность и величина экономического риска. Принятый термин соответствует международной классификации углей (рамочная классификация ООН), построенной на базе критериев рыночной экономики. Оценка рентабельности промышленных запасов углей производится с учётом их качества, издержек производства при их добыче, отпускных цен на различную угольную продукцию, а также соотношений размера вскрытых угольных запасов к их промышленным.
     В результате указанного методического подхода может быть комплексно определена рентабельность промышленных запасов по предприятиям и произведена их ранжировка по эффективности освоения. На основании этой комплексной оценки определены первоочередные предприятия, на которых намечено повышение добычи угля в перспективе. Геологические запасы угольных 10