Повышение метанобезопасности угольных шахт на основе совершенствования технологии заблаговременной дегазационной подготовки шахтных полей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.26.03, кандидат технических наук Швец, Александр Игоревич

• Швец, Александр Игоревич
• кандидат технических наук
• 2002

Оглавление диссертации кандидат технических наук Швец, Александр Игоревич

Введение.

1. Анализ состояния вопроса

1.1. Запасы и состояние метана в угольном месторождении Карагандинского бассейна.

1.2. Концентрация и интенсификация горного производства. Применяемые способы дегазации.

1.3. Опыт концентрации работ по дегазации на шахтах бассейна в управлении «Спецшахтомонтаждегазация».

1.4.Анализ применяемых на шахтах Карагандинского бассейна способов дегазации.

1.5. Анализ технологий утилизации шахтного метана.

1.6. Цель, идея и задачи исследований

Выводы.

2. Исследования эффективности комплексной дегазации при работе выемочных участков.

2.1.Формирование техногенного газового коллектора в выработанном пространстве действующего очистного забоя.

2.2. Исследование работы вертикальных скважин с поверхности в купола обрушения.

2.3. Исследования работы подземных скважин, пробуренных из оконтуривающих выработок в купола обрушения.

2.4. Исследования комплексных схем извлечения метана из выработанного пространства.

2.5. Анализ структуры газового баланса высокопроизводительных выемочных участков.

Выводы.

3. Заблаговременная дегазационная подготовка как основа совершенствования дегазации в Карагандинском угольном бассейне.

3.1. Обоснование необходимости заблаговременной дегазационной подготовки для повышения безопасности отработки угольных пластов в Карагандинском бассейне.

3.2. Технологии расчленения угольных пластов.

3.3. Анализ эффективности гидрорасчленения угольных пластов на ранее обработанных участках.

Выводы.

4. Совершенствование технологии заблаговременной дегазации.

4.1. Механизм пневмогидродинамического воздействия с обработкой пласта в режиме кавитации.

4.2. Разработка параметров технологии пневмогидродинамического воздействия с обработкой пласта в режиме кавитации.

4.3. Исследования эффективности новой технологии.

Выводы.

5. Технико-экономическая эффективность и область применения новых способов заблаговременной дегазационной подготовки.

5.1. Оценка технико-экономической эффективности новых способов заблаговременной дегазационной подготовки.

5.2. Экологическая эффективность использование метана в теплоэнергетике шахты.

5.3. Рекомендации по заблаговременной дегазационной подготовке угольных пластов Карагандинского бассейна.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение метанобезопасности угольных шахт на основе совершенствования технологии заблаговременной дегазационной подготовки шахтных полей»

Актуальность работы. Проблема шахтного метана в современном горном производстве рассматривается как проблема обеспечения безопасности и экономической эффективности высокопроизводительной добычи угля; как проблема промышленного использования метана в энергетике и других отраслях и как экологическая проблема, связанная с поступлением метана в атмосферу при подземной разработке угольных пластов. При подземной добыче угля проблема метана прежде всего важна с точки зрения обеспечения безопасности горных работ и повышения экономической эффективности их функционирования.

В настоящее время основной объем угледобычи в Карагандинском угольном бассейне приходится на Угольный департамент ОАО «Испат Кармет», в собственность которого в 1996 г. перешло 15 из 26 угольных шахт. При этом были реализованы мероприятия по концентрации горного производства. Путем объединения шахтного фонда количество шахт в настоящее время сокращено до 8. Угольным департаментом ОАО «Испат Кармет» взято направление на отработку рентабельных высокопроизводительных очистных забоев с переходом к более совершенному по уровню концентрации и интенсификации горных работ, технологическому процессу «шахта - лава».

В этих условиях резко повышается абсолютная газообильность выемочных участков, и только комплексная дегазация позволяет ведение горных работ с высокими технико-экономическими показателями. Но даже при эффективности комплексной дегазации в 75-80 % абсолютное газовыделение в атмосферу шахты достигает 30 м /мин и сдерживает интенсивность отработки угольного пласта. Достигнутая в настоящее время эффективность комплексной дегазации в значительной мере определяется дегазацией выработанного пространства. Однако с ростом нагрузки на очистной забой резко возрастает вклад метана, выделяющегося из разрабатываемого пласта и разрушаемого в забое угля. Дальнейшее совершенствование дегазации в условиях роста нагрузок на очистной забой свыше 4-5 тыс. т в сутки возможно за счет заблаговременного извлечения метана из угольного пласта. Поэтому обеспечение метанобезопасности на основе заблаговременной дегазационной подготовки является актуальной для угольной отрасли задачей.

Целью работы является установление закономерностей извлечения метана при заблаговременной дегазационной подготовке от технологии и параметров активных воздействий на высокогазоносный выбросоопасный угольный пласт для повышения метанобезопасности угольных шахт.

Идея работы - совершенствование технологий активных воздействий на угольный пласт базируется на обеспечении условий самоподдерживающегося разрушения угля, а повышение метанобезопасности достигается применением технологических схем дегазационной подготовки с учетом требуемой интенсивности угледобычи.

Основные научные положения, выносимые на защиту и их новизна:

- в условиях интенсивной разработки высокогазоносных угольных пластов метанобезопасность может быть обеспечена при условии использования всего комплекса дегазационных работ с обязательным применением заблаговременной дегазационной подготовки;

- выбор технологии заблаговременной дегазационной подготовки шахтных полей определяется необходимым уровнем снижения газовыделения из разрабатываемого пласта с учетом горно-геологических условий его залегания;

- совершенствование заблаговременной дегазационной подготовки должно вестись по совокупности направлений, включающей вскрытие пласта с кавернообразованием и последующее пневмогидродинамическое воздействие с определенными параметрами, обеспечивающими реализацию режима кавитации.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: представительным объемом шахтных исследований (17 скважин на двух шахтных полях); положительными результатами промышленной апробации разработанных технологических схем заблаговременной дегазационной подготовки; корректным использованием методов математической статистики при обработке результатов исследований. Научное значение работы заключается в развитии исследований механизма самоподдерживающегося разрушения угля при его использовании в технологии заблаговременной дегазационной подготовки и установлении закономерностей эффективности извлечения метана. Практическая ценность работы состоит в следующем: -обоснованы параметры пневмогидродинамического воздействия с обработкой пласта в режиме кавитации, которые вошли в проект, утвержденный в установленном порядке;

-апробированы технология гидрорасчленения с выдержкой рабочей жидкости в пласте и технология расчленения пласта вспенивающими растворами и химически активными газами на скважинах № 28 и 30 поля шахты «Казахстанская» и определена их эффективность; определена область применения новых технологий заблаговременной дегазационной подготовки с учетом обеспечения метанобезопасности при требуемой нагрузке на очистной забой.

Реализация работы. Разработанные параметры пневмогидродинамического воздействия с обработкой пласта в режиме кавитации внедрены на поле шахты «Казахстанская» Угольного департамента ОАО «Испат-Кармет» при заблаговременной дегазационной подготовке особовыбросоопасного пласта д6 при его обработке через скважины ГРП-25 и ГРП-26.

Апробация работы. Основное содержание диссертационной работы докладывалось в составе научно-технических отчетов в Угольном департаменте ОАО «Испат Кармет» (1999-2002 гг.), на ежегодных научных симпозиумах «Неделя Горняка» (1999-2003 гг.), научном семинаре и заседании кафедр «Аэрология и охрана труда» и «Инженерная защита окружающей среды» МГГУ (2002 г.).

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 7 печатных работах, в том числе в 3 авторских свидетельствах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, содержит 35 таблиц, 38 рисунков, список литературы из 83 наименований.

Заключение диссертации по теме «Пожарная и промышленная безопасность (по отраслям)», Швец, Александр Игоревич

Основные результаты и выводы, полученные лично автором, заключаются в следующем:

1. На основе анализа структуры газовыделения добычного участка о показано, что при газоносности угольных пластов более 20 м /т и увеличении среднесуточной нагрузки на очистной забой до 4-5 тыс. т в сутки с переходом к более совершенному по уровню концентрации и интенсификации горных работ технологическому процессу «шахта - лава» коэффициент эффективности дегазации выемочных участков должен составлять 75-90% с обязательным заблаговременным извлечением метана из разрабатываемых пластов.

2. Разработана технология заблаговременной дегазационной подготовки пневмогидродинамическим воздействием с обработкой пласта в режиме кавитации, которая были реализована при обработке скважин ГРП-25, 26 на поле шахты «Казахстанская». При обработке скважины ГРП-25 инициирован выброс угля в объеме 3,5-4,0 т, а при обработке скважины ГРП-26 - два выброса общей массой 7,5 т угля.

3. Разработана методика определения параметров технологии активного воздействия на угольные пласты, обеспечивающей реализацию механизма самоподдерживающегося разрушения угля при сбросе давления после закачки порции рабочей жидкости с темпом 60-80 л/с в объеме свыше 800 м 3 и давлением на устье скважины 9,0-11,5 МПа. В ходе освоения скважин, обработанных по данной технологии, продолжительность выхода на устойчивое газовыделение сокращается до 1-2 мес., а его интенсивность повышается в 1,2-1,5 раза.

4. Отработана в натурных условиях технология расчленения вспенивающими растворами и химически активными газами при заблаговременной дегазационной подготовке пласта д6 через скважину ГРП-30 поля шахты «Казахстанская».

5. Разработанные рекомендации по дополнительной гидрообработке угольного пласта при заблаговременной дегазационной подготовке особо выбросоопасного пласта д6, внедрены на поле шахты им. Ленина.

6. Проведена оценка технико-экономической эффективности заблаговременной дегазационной подготовки высокогазоносного угольного пласта с использованием комплекса технологических схем активного воздействия. Суммарный экономический эффект от заблаговременной дегазационной подготовки в зоне одной скважины расчленения составляет 100-130 тысяч у.е.

7. Определена область применения технологических схем заблаговременной дегазационной подготовки выбросоопасных и газоносных угольных пластов Карагандинского бассейна, обеспечивающей высокий уровень метанобезопасности при интенсивной отработке лав.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной для угольной отрасли задачи повышения метанобезопасности угольных шахт при интенсивной угледобыче на основе совершенствования технологии заблаговременной дегазационной подготовки шахтных полей путем разработки новых технических решений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Швец, Александр Игоревич, 2002 год

1. Скочинский А.А., Ходот В,В. и др. Метан в угольных пластах. М.: Углетехиздат, 1958,- 256 с.

2. Трухин П.М. т др. Эффективность 1Сонцентрации и технического перевооружения на угольных шахтах. -М.:Недра, 1977,192 с.

3. Голицын М.В. и др. Газоугольные бассейны России и мира./М.: МГУ-2002.-250 с.

4. Газоносность угольных месторождений СССР. ( Под ред.А.И.Кравцова)Т. 1 -3, М.:Недра, 1979-1980, -1299с.

5. Карагандинский угольный бассейн (справочник)/Н.А. Дрижд, С.К. Баймухаметов, В.А. Тоблер и др. М.: Недра. 1990.

6. Айруни А.Т. и др. Газообильность каменноугольных шахт СССР . -М.: Наука 1990,-216 с.

7. Эттингер И.Л. Газоемкость ископаемых углей. М.:Недра, 1966,-223 с.

8. Ермеков М.А. Изучение пластового давления метана В Карагандинском бассейне. -М., ЦНИЭИуголь, 1968, № 7, с.26-30.

9. Ермеков М.А., Ортенберг Э.Ш. Газоемкость углей Карагандинского бассейна. В кн. Технология разработки месторождений полезных ископаемых. Караганда, 1973, с.222-226.

10. Ю.Сагинов А.С. Проблемы разработки шахт Карагандинского бассейна.-Алма-Ата,: Наука, 1976. 330 с.

11. П.Бирюков Ю.М., Пименов А.А., Ходжаев P.P. Некоторые вопросы внезапных выбросов угля и газа. -Караганда: ЦНТИ. 2000. -177с.

12. Калиев С.Г. Преображенская Е.И. и др. Управление газовыделением на угольных шахтах. -М.: Недра, 1980, -196 с.

13. Эттингер И.Л., Лидин Г.Д. Влияние влажности на сорбцию метана каменными углями. -Изв. АН СССР. Отд.техн.наук, 1950, № 8, с. 1198 -1203.

14. Эттингер И.Л., Ш:ульман Н.В. Распределение метана в порах ископаемых углей. М.: Наука, 1975, 112 с.

15. Твердохлебов В.Ф. и др. Количественная оценка газа угольных месторождений./ Уголь,-1986, № 4, с 33 35.

16. Голицын М.В. Объем метаморфогенного газообразования в Карагандинском бассейне./Изв.АН СССР.Сер.геол.-1975 № 9, с. 112-114.

17. Садчиков В.А., Баймухаметов С.К., Абдрахманов Б.А., Швец И.А. Дегазация, добыча и использование метана в Карагандинском бассейне. Горн.инф.-анал. Бюлл./ МГГУ 1997, № 6, с.56 59.

18. Пучков Л.А. Современные проблемы шахтного метана. Горный информационно-аналитический бюллетень. -М.; МГГУ, ИАЦ ГН, 1977.

19. Пучков Л.А. Проблема метана в современном горном производстве. -В кн. Современные проблемы шахтного метана. -М.; МГГУ, 1999, -320 с.

20. Сластунов С.В. Проблемы угольного метана и их технологические решения. В кн. Современные проблемы шахтного метана. -М.: МГГУ, 1999, с. 50-61.

21. Преображенская Е.И. Основные итоги предварительной дегазации одиночного мощного пологопадающего пласта Верхняя Марианна и дальнейшая перспектива развития дегазации ./Научн.труды КНИУИ, вып .7, Гогортехиздат, 1963, с. 49 69.

22. Проектирование, монтаж и эксплуатация дегазационных участков (практическое пособие) Е.И.Преображенская и др. М: Недра, 1966,128 с.

23. Мясников А.А., Рябченко А.С., Садчиков В.А. Управление газовыделением при разработке угольных пластов. М.: Недра, 19870, -374 с.

24. Хакимжанов Т.Е. Газовыделение в очистные забои угольных шахт / АН КазССР, Наука КазССР. М., 1986. - 144 с.

25. Айруни А.Т. Теория и практика борьбы с рудничными газами на больших глубинах. М.: Недра, 1981.- 332 с.

26. Дмитриев A.M., Куликова Н.Н., Бодня Г.В. Проблемы газоносности угольных месторождений. -М.: Недра, 1982. -263с.

27. Ножкин Н.В. Заблаговременная дегазация угольных месторождений. -М.: Недра, 1979, 271 с.

28. Ножкин Н.В. Заблаговременная дегазация угольных месторождений.-Дисс. . докт.техн.наук М.:МГИ, 1971,-453 с.

29. Ржевский В.В., Бурчаков А.С. Ножкин Н.В. О результатах заблаговременной дегазации гидрорасчленением пласта//Уголь, 1974,№ 7, с. 51 54.

30. ЗО.Забурдяев B.C. Перспективные объекты РФ для утилизации угольного метана. Горный информационно-аналитический бюллетень.-М.: МГГУ, 2001,№ 5, с.35-41.

31. Чепенко А.В. Каротаж и использование шахтного метана в Украине/ Геотехническая механика, Вып.№17.-Киев,2000, с.52-56.

32. Айруни А.Т., Слепцов В.И. Использование каптируемого метана на угольных шахтах за рубежом./Экспр. инф. ЦНИЭИуголь, Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело. -М.: ЦНИЭИуголь, 1974, 49 с.

33. Трубецкой К.Н., Матвиенко Н.Г., Бобин В.А., Гурьянов В.В., Зимаков Б.М., Зверев В.И., Хрюкин В.Т. Разработка научных основ промысловой добычи газа из метаноугольных месторождений России / Геотехническая механика. Киев-Днепропетровск: 2000. -С.78-83.

34. Пучков J1.A. Красюк Н.Н. и др. Технология отработки участков шахтных полей с добычей и утилизацией метана. Учебное пособие.• Часть 1.:-М, МГГУ, 1995,-122 с.

35. Каталог научно-технических разработок. -М.: МГГУ, 1999, -202 с.

36. Красюк Н.Н. Повышение эффективности работы шахт на основе промышленного использования метана: Дисс. . докт.техн.наук. М: МГГУ, 1992,-412 с.

37. Серов В.И., Виноградов В.П. Энергетическое использование каптированного метана. Горный информационно-аналитический бюллетень. М: МГГУ, 2000, № 7, с. 203-205.

38. Болгожин Ш.А., Клиновицкий Ф.И. Геомеханические условия охраны подготовительных выработок при отработке угольных пластов. Алматы, Наука, 1984.-86 с.

39. Методическое руководство по определению параметров газовых коллекторов при отработке пологих угольных пластов. Алматы, 1984, 126 с.

40. Обоснование технических решений по совершенствованию метода дегазации скважинами с земной поверхности при отработке пологихугольных пластов в Карагандинском бассейне. — Отчет о НИР.: Алматы, 1985, -32 с.

41. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. Алматы, 1992. -285 с.

42. А.С. СССР № 609917. Способ дегазации угольных пластов/ Н.В.Ножкин. Опубл. В БИ 1978, №21.

43. А.С. СССР № 1548463. Способ дегазации угольного пласта/ Н.В.Ножкин, С.В.Сластунов, В.М.Карпов. Опубл. В БИ 1990, №91.

44. Ножкин Н.В., Карпов В.М., Соколов А.Б. Углубление дегазации угольных пластов путем пневмовоздействия/ Сб. трудов МГИ.-М.: МГИ, 1988, с. 28-36.

45. Сластунов С.В. Управление газодинамическим состоянием » угольного пласта через скважины с поверхности. -М.: МГУ, 1991,213 с.

46. Сластунов С.В. Заблаговременная дегазация и добыча метана из угольных месторождений. М.: Изд-во МГГУ, 1996 - 441с.

47. Васючков Ю.Ф. Физико-химические способы дегазации угольных пластов. -М : Недра, 1986, -206 с.

48. Васючков Ю.Ф., Шарипов Н.Х. О технологии солянокислотной обработки угольного пласта. -Уголь, 1976, №10, с.55-58.

49. Презент Г.М., Баймухаметов С.К., Швец И.А., Сластунов С.В. Технология управления газодинамическими и геомеханическими процессами в угольных шахтах. -Караганда: 1994.- 117с.

50. Шмидт М.В. Исследование состояния призабойной части выбросоопасного пласта с целью разработки критерия контроля за эффективностью гидрорасчленения. Дисс. . канд.техн.неук.-М,МГИ.1982, -205 с.

51. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, склонных к внезапным выбросам угля, породы и газа. М., Недра, 1978,-159 с.

52. Руководство по дегазации угольных шахт. М.: 1990.- 186 с.

53. Петухов И.М., Линьков A.M., Фельдман И.А., Кузнецов В.П., Тетеревенков В.В. Защитные пласты. —Л.: Недра, 1972. -423с.

54. Коликов К.С. Повышение безопасности разработки угольных месторождений и комплексное освоение их ресурсов на основе заблаговременного извлечения метана. -Дисс. . докт.техн.наук. -М.: МГГУ. 2002, 305 с.

55. Пучков Л.А., Сластунов С.В., Баймухаметов С.К. Проблемы извлечения метана из угленосной толщи на полях действующих шахт для повышения безопасности горных работ. — Уголь, 2001, № 11, с.56-60.

56. Ржевский В.В., Братченко Б.Ф., Бурчаков А.С., Ножкин Н.В. Управление свойствами и состоянием угольных пластов с целью борьбы с основными опасностями в шахтах. -М.: Недра, 1984, -327 с.

57. Методика определения параметров гидрорасчленения угольных пластов при разработке проекта для условий Карагандинского бассейна.-Караганда, Москва, 1986, -22с.

58. Временное руководство по заблаговременной подготовке шахтных полей к эффективной разработке скважинами с поверхности с пневмогидровоздействием на свиту угольных пластов. -М, МГИ, 1991, -92 с.

59. Предварительный патент РК №11340. Способ дегазации и добычи метана из угольного пласта / С.В.Сластунов. М.В.Шмидт. К.С. Коликов.- Опубл. в бюл.№3, 2002 г.

60. Презент Г.М., Баймухаметов С.К., Швец И. А., Сластунов С.В., Коликов К.С. Заблаговременная дегазация шахтных полей и добыча угольного метана через скважины с поверхности // Уголь, 1997. №10, с.41-44.

61. Малышев Ю.Н., Трубецкой К.Н., Айруни А.Т. Фундаментально-прикладные методы решения проблемы метана угольных платстов.-М.: Изд-во АГН, 2000. -519с.

62. Красюк Н.Н., Косьминов Е.А., Коликов К.С. Технология промышленного извлечения метана угольных месторождений. М.: ГИАБ. 1995, №3, с.71-79.

63. Матвиенко Н.Г., Зимаков Б.М., Гурьянов В.В., Хрюкин В.Т., Натура В.Г. Оценка коллекторских свойств угольных пластов применительно к условиям промысловой добычи метана / Современные проблемы шахтного метана. -М.: МГГУ, 1999, с.151-158.

64. Морев A.M., Евсеев Н.И. Дегазация сближенных пластов. М.: Недра. 1975,- 168 с.

65. Методика прогноза горно-геологических условий выбросоопасных угольных пластов. Караганда: 1989.-70 с.

66. Саламатин А.Г. Подземная разработка мощных угольных пластов. -М.: Недра, 1997,-437 с.

67. Нефедов П.П., Красюк Н.Н. Интенсивное комплексное освоение ф газоносных угольных месторождений.-Караганда,1996, -245 с.

68. Баймухаметов Т. К, Горбунов С.М., Швец А.И. Подготовка и управление газовыделением выемочных участков при высоких нагрузках на очистной забой -Караганда, УСШМД УД ОАО «Испат-Кармет» 2002.

69. Шмидт М.В., Тонких В.И., Швец А.И. Исследование структуры газового баланса подготавливаемого и разрабатываемого выемочного участка// Горный информационно-аналитический бюллетень. -М.:МГГУ, 2002, №6, с. 107-109.

70. Brandenburg C.F., Kuuskraa V.A., Schraufnagel R.A. and McBane R.A. Coalbed Methane and Technology: Relating the U.S. Experience Into International Opportunities "17th Congress of the World Energy Council, Houston, Texas, Sept. 13-18, 1998".

71. C02 Injectionfor Enhanced Coalbed Methane Recovery :Project Screening and Design/ International Coalbed Methane Symposium, May 3-7, 1999. p.p.309-319.

72. Kuuskraa V.A., Boger C.M. Steps to Assecc Resourse Economics Covered "Oil am Gas Journal", 1989, Special, 31-34.

73. Brunner D.J., Carothers P., Surowka J., Surma A., Schultz K.H. Coalbed Methane Recovery and Electric Power Generation at the Wesola Mine in Myslowice, Poland/ International Coalbed Methane Symposium, May 3» 7, 1999. p.p. 169-183.