Высокой интенсивности добычи угля подземным способом невозможно достичь без управления процессом отведения метана средствами вентиляции и дегазации выемочного участка. В настоящее время для снижения количества метана, поступающего в горные выработки, применяется дегазация главных источников его выделения – разрабатываемых, сближенных подрабатываемых и надрабатываемых пластов угля (пластов-спутников), а также газоносных пород и выработанного пространства недр. В зависимости от газового баланса выемочного участка применяется один или несколько способов дегазации главных источников выделения метана. Несмотря на то, что количество метана, извлекаемого из отработанных пластов-спутников, является относительно невысоким, в отдельных случаях его роль в газовом балансе выемочного участка может быть значительной. Все подземные горные предприятия по добыче угля в результате своей производственно-технологической деятельности загрязняют окружающую среду выбросами метана. Основными источниками его поступления являются вентиляционные и дегазационные системы действующих шахт, непогашенные вскрывающие горные выработки закрытых предприятий, а также склады угля и породные отвалы. Выбросы метана российскими шахтами ежегодно растут примерно на 4 %. В случае оборудования всех шахт Кузнецкого бассейна дегазационными системами темпы извлечения метана в нём достигли бы 35–40 %. Основной причиной сдерживания применения дегазации на шахтах Кузнецкого бассейна, а также её низкой эффективности является недостаток инвестиций в современное оборудование и контрольно-измерительную аппаратуру [1]. Высокие концентрации метана в атмосфере выемочного участка могут привести к снижению нагрузки на очистной забой в 1,5–3 раза. Производственные мощности шахт, газообильность очистных забоев которых составляет 7–10 м3/т добытого угля, в 2–3 раза выше, чем шахт с газообильностью 20–60 м3/т [2].
Целью исследования является поиск путей решения проблемы снижения концентрации метана в исходящей струе воздуха лавы за счёт повышения степени его извлечения из выработанного пространства недр.
Материалы и методы исследования
Материалом для исследования является пласт угля со средней мощностью 3,2 м, разрабатываемый подземным способом на глубине 400–440 м в условиях центрального Кузбасса. Основными методами исследования являются наблюдение за газовой обстановкой на выемочном участке, проведение эксперимента по предложениям, служащим для её нормализации, а также анализ полученных статистических данных.
Результаты исследования и их обсуждение
Для планирования извлечения шахтного метана в ряде стран Европейского союза используется подход, который разграничивает количества газа, отводимые средствами вентиляции и дегазации выемочного участка, с целью прогноза общей стоимости всего процесса его отведения. В качестве критерия эффективности выступает величина соотношения стоимости работ по отведению метана средствами дегазации и вентиляции (рис. 1) [3].
Рис. 1. Оптимальное соотношение стоимости работ по дегазации (тёмная кривая линия) и вентиляции (светлая кривая линия) выемочного участка, %
На рис. 1 представлены результаты обобщения опыта вентиляции и дегазации очистных забоев ряда глубоких шахт со средней нагрузкой на очистной забой, находящейся на уровне 1500–2000 т/сутки. Значение оптимума 70 % корректируется в зависимости от изменения величины этой нагрузки и фактических размеров отрабатываемой панели. При этом безупречно работающая вентиляция добычных участков может не обеспечивать безопасных концентраций метана в исходящих струях лав исключительно по причине низкой эффективности предварительной и текущей дегазации разрабатываемого угольного пласта, исчерпав пределы своих технологических возможностей.
В рассматриваемом случае в условиях центрального Кузбасса ведётся разработка пласта угля с промышленными запасами 800 тыс. т, залегающего на глубине 420 м, со средней мощностью 3,2 м и углом падения 0–7 °. Природная газоносность угля составляет 14–17 м3/т. Пласт является склонным к самовозгоранию, опасным по взрыву угольной пыли и газа, а также угрожаемым по горным ударам. Вмещающие горные породы представлены аргиллитами и алевролитами крепостью 2 и 7. Подработанные пласты-спутники мощностью 4, 2,5 и 2,2 м в настоящее время отработаны.
Длина лавы по простиранию составляет 890 м, а по фронту – 202 м. При отбойке угля применяется очистной механизированный комплекс 2КМК800.3Р с комбайном МВ12-2 и лавовым конвейером Глиник-298. Отработка запасов осуществляется обратным ходом – от флангов к бремсбергам. Транспортирование угля осуществляется по откаточному штреку ленточным конвейером 2ПТ-120. Система разработки – длинными столбами по простиранию [4].
Схема проветривания лавы – комбинированная с отведением метановоздушной смеси по подземным горным выработкам, а также с помощью поверхностной газоотсасывающей установки. Свежая струя поступает в лаву из вентиляционного бремсберга по конвейерному штреку. Отработанная струя выдаётся по вентиляционному штреку на конвейерный бремсберг. Часть отработанной струи поступает по трубе диаметром 800 мм к скважине, связанной с газоотсасывающей установкой ВЦГ-9, оснащённой двумя вентиляторами [5].
Дегазация выемочного участка осуществляется тремя способами. Первый заключается в извлечении метана через купол обрушения, находящийся в выработанном пространстве, в скважину, расположенную на поверхности. Купол обрушения служит для повышения эффективности дегазации выработанного пространства через скважины, находящиеся на поверхности и подключённые к наземной дегазационной установке. Второй способ представляет собой изолированный отвод метана по газодренажным скважинам, находящимся в конвейерном штреке, в подземный трубопровод. Изолированный отвод метана служит для повышения эффективности дегазации выработанного пространства через подземный дегазационный трубопровод, подключённый к ротационным насосам и соединённый с вакуум-насосом, расположенным на поверхности. Здесь используются фильтры тонкой очистки метановоздушной смеси и огнепреградители. Третий способ включает в себя пластовую дегазацию, осуществляемую через скважины, находящиеся в конвейерном штреке и набуренные в разрабатываемый пласт, а также на надрабатываемые пласты-спутники. Она служит для повышения эффективности дегазации разрабатываемого пласта и пластов-спутников [6, 7].
В существующих условиях концентрация метана в исходящей струе лавы часто превышает нормативное значение в 1 %, которое необходимо обеспечить в условиях отсутствия аппаратуры АКМ (автоматического контроля метана). Это периодически требует снижений нагрузки на очистной забой с целью сокращения количества метана, выделяющегося из угля, проявляющейся в сокращении объёмов его добычи. Наличие аппаратуры АКМ, допускающее временное присутствие концентраций метана в исходящей струе лавы на уровне до 1,3 %, не является решением проблемы.
Сущность предложений по поиску пути решения проблемы заключается в обеспечении понижения концентрации метана в исходящей струе воздуха лавы за счёт повышения степени его извлечения из выработанного пространства недр. Для этого было предложено в течение 2019 г. бурить скважины из откаточного штрека не только на неотработанные надрабатываемые пласты-спутники (фактическое газовыделение составляет 4,29 м3/т), но и на отработанные подрабатываемые пласты-спутники (расчётное газовыделение – 0,38 м3/т), а в течение 2020 г. вести контрольные замеры.
По результатам проделанной работы сравнительные показатели отведения метана средствами вентиляции и дегазации выемочного участка представлены на рис. 2 и 3.
Рис. 2. Сравнительные показатели отведения метана средствами вентиляции в 2018 г. (тёмная кривая линия) и 2020 г. (светлая кривая линия), м3/мин
Рис. 3. Сравнительные показатели отведения метана средствами дегазации в 2018 г. (тёмная кривая линия) и 2020 г. (светлая кривая линия), м3/мин
В результате реализации внесённых предложений среднегодовое отведение метана средствами вентиляции (исходящая струя лавы и газоотсос) в 2020 г. сократилось по сравнению с 2018 г. в среднем на 2 м3/мин с 41,6 м3/мин до 39,6 м3/мин (на 4,8 %).
В результате реализации внесённых предложений среднегодовое отведение метана средствами дегазации (купол обрушения, изолированный отвод и пластовая) в 2020 г. увеличилось по сравнению с 2018 г. в среднем на 1,4 м3/мин, с 15,8 м3/мин до 17,2 м3/мин (на 8,9 %).
По результатам проделанной работы сравнительные показатели концентрации метана, достигаемые путём эксплуатации существующих средств вентиляции и дегазации выемочного участка, представлены на рис. 4 и 5.
Рис. 4. Концентрации метана в исходящей струе лавы в 2018 г. (тёмная кривая линия) и 2020 г. (светлая кривая линия), %
Рис. 5. Концентрации метана в подземном дегазационном трубопроводе в 2018 г. (тёмная кривая линия) и 2020 г. (светлая кривая линия), %
В результате реализации внесенных предложений концентрация метана в исходящей струе лавы в 2020 г. сократилась по сравнению с 2018 г. в среднем на 22,2 % и стала постоянно меньшей 1 % за счёт сокращения проникновения метана из отработанных подрабатываемых пластов-спутников (с 0,9 % до 0,7 %).
В результате реализации внесенных предложений концентрация метана в подземном дегазационном трубопроводе в 2020 г. возросла по сравнению с 2018 г. в среднем на 9,5 % за счёт увеличения количества извлекаемого метана из отработанных подрабатываемых пластов-спутников (с 31,6 % до 34,6 %).
Выводы
В результате использования предложенных мероприятий получен следующий эффект:
1. Среднегодовое выделение метана в лаву из выработанного пространства недр (включая подрабатываемые пласты-спутники) сократилось с 1,4 м3/т добываемого угля в 2018 г. до 1,3 м3/т добываемого угля в 2020 г. (на 7,1 %).
2. Доля вентиляции в общем объёме отводимого метана в 2020 г. снизилась на 5 % по сравнению с 2018 г.
3. Доля дегазации в общем объёме отводимого метана в 2020 г. увеличилась на 8,9 % по сравнению с 2018 г.
4. Средняя добыча из лавы получила возможность увеличения на 1,1 % и может составить до 4550 т/сут.