Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,775

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАНА ИЗ ПЛАСТОВ-СПУТНИКОВ

Цыганков Д.А. 1 Осипова Т.В. 1
1 ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет НЭТИ»
В статье рассмотрен вопрос возможности снижения концентрации метана в исходящей струе воздуха лавы за счёт повышения степени эффективности дегазации выработанного пространства, выражающегося в дополнительном извлечении газа из отработанных подрабатываемых пластов-спутников различной мощности. Исходя из опыта ряда стран – членов Европейского союза предложен совместный учёт возможностей вентиляции и дегазации выемочного участка, оптимальное соотношение технологических возможностей которых по отведению метана должно находиться на уровне 70 %. Несмотря на повышенную сложность проведения работ по дегазации и с учётом того, что вентиляция исчерпала свои возможности, в качестве конкретных технологических мер было предложено бурить газодренажные скважины из откаточного штрека не только на надрабатываемые пласты-спутники (газовыделение 4,29 м3/т), но и на подрабатываемые пласты-спутники различной мощности (газовыделение 0,38 м3/т) с направлением дополнительного газового потока в подземный дегазационный трубопровод, соединённый с вакуум-насосом, расположенным на поверхности. В результате проведённых в течение одного года наблюдений горных мастеров за результатами внедрения предложенных мероприятий выяснилось, что концентрация метана в воздухе исходящей струи лавы снизилась в среднем на 22,2 %, а общее количество газа, поступающего в подземный дегазационный трубопровод, возросло на 8,9 %. Внедрённые мероприятия позволили обеспечить постоянную концентрацию метана в воздухе исходящей струи лавы на уровне, не превышающем нормативный (1 % при отсутствии использования аппаратуры автоматического контроля метана) и увеличить нагрузку на очистной забой без нанесения ущерба безопасности горных работ.
вентиляция
дегазация
лава
метан
концентрация
газодренажная скважина
дегазационный трубопровод
1. IEA: Coal Mine Methane in Russia: Capturing the Safety and Environmental Benefits. International Energy Agency. 2016. 54 p.
2. Шахтный метан в России: Использование с выгодой для безопасности и охраны окружающей среды. ОЕСР/ МЭА, 2010. 48 c.
3. Creedy D.P., Saghafi A., Lama R. Gas Control in an Underground Coal Mining. IEACR/ 91. London: IEA Coal Research, 1997. 122 p.
4. Ютяев Е.П. Подземная разработка пологих газоносных угольных пластов длинными забоями. М.: Горная книга, 2017. 288 с.
5. Голинько В.И., Лебедев Я.Я., Муха О.А. Вентиляция шахт и рудников. Донецк: Национальный горный университет, 2012. 266 с.
6. Курта И.В. Методы и схемы дегазации угольных пластов. Ухта: УГТУ, 2015. 35 с.
7. Инструкция по дегазации угольных шахт. М.: ЗАО «Научно-технический центр исследований промышленной безопасности», 2013. 250 с.

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].

missing image file

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.

missing image file

Рис. 2. Сравнительные показатели отведения метана средствами вентиляции в 2018 г. (тёмная кривая линия) и 2020 г. (светлая кривая линия), м3/мин

missing image file

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.

missing image file

Рис. 4. Концентрации метана в исходящей струе лавы в 2018 г. (тёмная кривая линия) и 2020 г. (светлая кривая линия), %

missing image file

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.


Библиографическая ссылка

Цыганков Д.А., Осипова Т.В. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАНА ИЗ ПЛАСТОВ-СПУТНИКОВ // Успехи современного естествознания. – 2021. – № 2. – С. 127-131;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37585 (дата обращения: 19.06.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674