Технологические решения по снижению метановой опасности на угольных шахтах

В. С. Забурдяев





ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО СНИЖЕНИЮ МЕТАНОВОЙ ОПАСНОСТИ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ

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 Коликов Константин Сергеевич




        Забурдяев, В. С.

3-12      Технологические решения по снижению метановой опасности в
     угольных шахтах : монография / В. С. Забурдяев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 208 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1219-3

          Приведены результаты исследования метаноносности угольных пластов, их газоотдачи в горные выработки и дегазационные скважины, оценена экология угольных шахт и регионов России. Освещены проблемы метана при подземном способе добычи угля, метанообильности угольных шахт, оценена роль источников выделения шахтного метана, способов управления газовыделением. Изложены новые технологические решения по дегазации шахт, предотвращению взрывоопасных скоплений метана. Обоснован метод прогнозирования объемов и интенсивности выделения шахтного метана в горные выработки газовых шахт.
          Для специалистов в области метаноносности угольных пластов, научных и инженерно-технических работников на предприятиях угольной промышленности, преподавателей и студентов горнотехнических вузов.


                                                                  УДК 622.2/333
                                                                  ББК 33.31









ISBN 978-5-9729-1219-3

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

        ПРЕДИСЛОВИЕ

     Уголь в мире признан топливом будущего, что весьма важно для России, обладающей огромными его ресурсами. В Москве на Международном форуме «Энергетика и уголь России: тенденции, прогноз, международное сотрудничество» российские и иностранные специалисты обсудили перспективы добычи угля в технически развитых странах мира, обладающих значительными запасами угля. Отмечено, что уголь является основой энергетики многих стран мира, его ресурсы превышают оные нефти и газа, уголь остается надежным и востребованным в энергоснабжении человечества в обозримом будущем.
     Для России освоение запасов угля, наряду с нефтью и газом, остается основой могущества государства: геополитического, экономического и военного. Основные объемы добычи угля приходятся на предприятия Кузбасса, где залегают угли различных марок, с их разными свойствами и предназначением в хозяйстве страны. Вместе с тем, в углях Кузбасса и Воркутского месторождения содержатся значительные объемы метана, пригодного для утилизации как экологически чистого энергоносителя. В тоже время в ряде случаев подземного освоения метаноносных пластов шахтный метан является врагом шахтеров, способного в смеси с воздухом взрываться, приводя к гибели людей, разрушениям горных выработок, оборудования, различного рода устройств и приборов.
     Приведены результаты исследования метаноносности угольных пластов, их способности к газоотдаче в горные выработки и дегазационные скважины. Оценены объемы выбросов газов и пыли в рудничную атмосферу шахт и в атмосферу угледобывающих регионов, объемы выделения метана в очистные выработки при интенсивной выемке угля. Исследованы условия формирования взрывоопасных ситуаций в шахтах, предложены мероприятия по технологии извлечения метана и предотвращению метановой опасности при ведении очистных работ в метанообильных шахтах. Особое внимание уделено научно обоснованным мероприятиям по обеспечению условий безопасного ведения очистных работ, обоснованию параметров способов управления газовыделени-ем средствами дегазации разрабатываемых и сближенных пластов угля, выработанных пространств.
     Впервые приведены технологические решения по снижению метановой опасности в угольных шахтах на основе использования технических предложений, изложенных в патентах РФ. Информация об их технической сути представлена в большей степени в форме таблиц, в которых обозначены номера патентов, их назначение, известные и отличительные признаки (технические операции), ожидаемый результат при их реализации в конкретных горногеологических условиях залегания и отработки метаноносных пластов угля.
     Отмечены предпосылки к авариям в метанообильных шахтах, в числе которых основными являются нарушения технологической, профессиональной и трудовой дисциплины, низкий уровень знаний инженерно-технического персонала газодинамических процессов, протекающих в шахтах, особенно при интенсивной отработке метаноносных пластов угля, обильных потоках газов и пыли, формируемых при разрушении угля очистными комбайнами, некомпе

3

тентность специалистов и организаций при экспертизе промышленной безопасности вводимых в работу шахтных объектов, главным образом, очистных забоев (лав) в сложных геологических и горнотехнических условиях разработки метаноносных пластов угля, залегающих в свите углепородных массивов, отсутствие оценки риска метанопылевоздушных смесей при анализе вариантов технико-технологических решений по добыче угля и управлению газовыделением на выемочных участках метанобильных шахт.

4

1. МЕТАНОНОСНОСТЬ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

        1.1. Схема угольных месторождений России

     Многолетними исследованиями, проведенными в различных угольных бассейнах России (рис. 1.1) 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, решены многие вопросы выделения газов в горные выработки шахт [1-5]. 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» [6].
     Угленосные отложения в угольных бассейнах и месторождениях России, так же, как и в углегазовых месторождениях других стран мира, характеризуются преимущественно неравномерным распределением газоносности. Наиболее ярко это прослеживается в Донецком угольном бассейне, где геологические условия были весьма разнообразны для образования газосодержащих отложений. Угленосность и степень метаморфизованности углей крайне изменчивы. Восточный Донбасс отличается тем, что в нем наблюдается довольно резкое изменение метаморфизма углей в направлении с севера на юг. Здесь распространены угли марок Д и Г, встречаются слабометаморфизованные антрациты и преобладают угли средних стадий метаморфизма [5]. С ростом метаморфизма углей возрастает газоносность угольных пластов. Угольные пласты, сложенные углями марки Г, имеют максимальные значения газоносности до 12-15 м³/т с.б.м., пласты с марками углей К-ОС - до 15-22 м³/т с.б.м. (табл. 1.1).


Таблица 1.1. - Зависимость метаноносности угля от его марки

           Метаноносность угольных
Марка угля  пластов, м3/т с.б.м.  
    Б                2-4          
    Д                4-8          
    Г               8-12          
    ж               12-15         
    К               15-26         
    ОС              26-32         
    Т               32-38         
  As- А9            38-42         
  Аю-А11            42-2          
 А12-А14             2-0          

     Обобщение материалов по газоносности угольных и антрацитовых пластов на примере Донецкого бассейна позволило авторам работы [5] подразделить его территорию на 3 основные площади: площадь неметаноносных высокометамор-физованных антрацитов, переходную площадь, где распространены метаноносные каменные угли, и площадь слабометаморфизованных антрацитов. В районах залегания высокометаморфизованных антрацитов угленосная толща практически не содержит метана в пределах изученных глубин (до 1600 м).


5

      Многолетними исследованиями, выполненными в Донецком бассейне, установлено, что в зависимости от основного фактора - метаморфизма угольного вещества - природная метаноносность равномерно увеличивается в пластах, сложенных бурыми и каменными углями, а также антрацитами групп А10 - А11, достигая в последних 35-40 м³/т с.б.м. В пластах, состоящих из высокомета-морфизованных антрацитов групп А12 - А14, она снижается до нуля независимо от их положения в угленосной толще. Эта зависимость метаноносности угольных пластов и антрацитов от стадии метаморфизма угольного вещества представлена на рисунке 1.2 [5].
      Метаноносность угольных пластов зависит от геологических факторов, в числе которых основными являются история геологического развития бассейнов, тектоническое строение месторождения, угленосность отложений, петрографический состав углей, литологический состав и коллекторские свойства вмещающих пород, а также характер покровных отложений, гидрогеологические условия, многолетняя мерзлота и пр. Практическое значение из них на объемы содержания метана в угленосных отложениях настоящего времени имеют тектоника месторождения, угленосность отложений, петрографический состав углей и коллекторские свойства пород.
      При прочих равных условиях на одних и тех же глубинах метаноносность угольных пластов в закрытых осевых частях антиклиналей и в примыкающих к ним зонах более высокая, чем в моноклиналях и крыльях складок, в которых пласты имеют выход под наносы. Круто залегающие пласты деметанизируются на большую глубину по вертикали, чем пологие. Дизъюнктивные нарушения в зависимости от их газопроницаемости могут являться как путями миграции газов, так и экранами, способствующими накоплению газов. Открытые дизъюнк-тивы дегазируют угленосную толщу [5]. Поэтому в наших исследованиях в качестве основной величины принята по геологическим понятиям остаточная газоносность угольных пластов, определенная геологоразведочными партиями. Она названа природной и используется как для оценки ресурсов метана, так и для определения потенциально возможных объемов его извлечения. Что касается газоносности угленосных отложений, изученной геологами применительно к каменноугольным месторождениям России, то она, наряду с метаноносностью пластов угля, учитывается при оценке геологических ресурсов метана [7-14], которые при нынешнем развитии технологии и техники не могут быть рентабельно извлечены.

6

Рис. 1.1- Схема расположения угольных бассейнов:
1 - Восточный Донбасс; 2 - Печорский; 3 - Южно-Уральский; 4 - Северо-Сосьвинский; 5 - Кизеловский;
6 - Челябинский; 7 - Горловский; 8 - Кузнецкий; 9 - Канско-Ачинский; 10 - Минусинский; 11 - Улухемский;
12 - Иркутский; 13 - Тунгусский; 14 - Таймырский; 15-Ленский; 16 - Зыряновский; 17 - Южно-Якутский;
18 - Дальневосточный; 19 - Партизанский; 20 - Сахалинский; 21 - Подмосковный;
22 - Донецкий (Украина); 23 - Львовско-Волынский (Украина); 24 - Карагандинский (Казахстан)

Рис. 1.2 - Зависимость максимальной метаноносности угольных пластов от степени метаморфизма на глубине 1000 м

      Влияние петрографического состава углей на метаноносность угольных пластов проявляется в газовых, жирных и коксовых углях, метаноемкость которых увеличивается по мере повышения содержания в них фюзинита. Петрографический состав длиннопламенных, тощих и более метаморфизованных углей на их метаноносность оказывает менее заметное влияние. Повышенное содержание микрокомпонентов группы витринита способствует увеличению числа трещин в угле и повышению его газопроницаемости [5], а также снижению сорбционной метаноемкости углей, в то время как более высокое содержание фюзинита увеличивает их сорбционную метаноемкость [13, 15].
      Зависимость метаноносности x (м³/т с.б.м.) угольных и антрацитовых пластов от выхода летучих веществ Vdaf (%) приведена на графике (рис. 1.3), где р - показатель электросопротивления угольного вещества различной степени метаморфизма, V (см³/г) - потенциальная метаноемкость углей до их деметанизации, а содержание метана в угольных пластах различных бассейнов России - на графиках (рис. 1.3), где в зависимости от глубины метаноносность пластов изменяется от 2-3 до 35-40 м³/т с.б.м. [13].
      Влияние глубины залегания пластов угля и марки углей на фактическую метаноносность пластов Кузнецкого бассейна при различной глубине верхней границы метановых газов прослеживается по данным, приведенным в таблице 1.2. Природная метаноносность углей увеличивается от длиннопламенных до коксующихся и снижается от коксующихся до антрацитов. При этом с глубиной залегания пластов метаноносность углей всех марок в Кузбассе возрастает [3, 8].

9

Рис. 1.3 - Изменение природной метаноносности угольных пластов с глубиной их залегания от нижней границы зоны газового выветривания:

а - Восточный Донбасс: 1 - Vdaf = 44 %, 2 - Vdaf= 21-23 %, 3 - V" = 17-18 %, 4 - Vdaf = 8-9 ° i>, 5 - Vdaf = 6-8 %;
б - Воркутское месторождение (шахта «Северная»): 1 - среднее, 2 - максимальное;
в - Воркутское месторождение (шахта «Воркутинская»): 1 - среднее, 2 - максимальное;
г - Челябинский бассейн: 1 - шахта «Южная», 2 - шахта «Северная»; д - Кузбасс, Кемеровская синклиналь, пласт XXI; е - Кузбасс, Араличевский район (шахта Редаково, им. Димитрова, им. Орджоникидзе); ж - Кузбасс, Распадское месторождение; з - Кузбасс, Байдаевская брахисинклиналь