Способы дегазации и предотвращения газодинамических явлений породоугольного массива с применением гидродинамического,пневмогидродинамического, пневмодинамического вибрационного и микробиологического воздействий
Наведено матеріали щодо наукових та практичних результатів використання гідродинамічних, пневмогідродинамічних, пневмодинамічних, вібраційних та мікробіологічних дій щодо розробки нових способів дії на газонасичені вугільні пласти, зокрема при розкритті викидонебезпечних пластів, проведенні підготов...
Saved in:
| Date: | 2012 |
|---|---|
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2012
|
| Series: | Геотехническая механика |
| Online Access: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/53984 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Способы дегазации и предотвращения газодинамических явлений породоугольного массива с применением гидродинамического,пневмогидродинамического, пневмодинамического вибрационного и микробиологического воздействий / К.К. Софийский // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 100. — С. 282-295. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-53984 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-539842014-01-30T03:10:43Z Способы дегазации и предотвращения газодинамических явлений породоугольного массива с применением гидродинамического,пневмогидродинамического, пневмодинамического вибрационного и микробиологического воздействий Софийский, К.К. Наведено матеріали щодо наукових та практичних результатів використання гідродинамічних, пневмогідродинамічних, пневмодинамічних, вібраційних та мікробіологічних дій щодо розробки нових способів дії на газонасичені вугільні пласти, зокрема при розкритті викидонебезпечних пластів, проведенні підготовчих виробок та дегазації вугільних пластів при їх відпрацюванні стелеуступними лавами та лавами, що оснащені щитовими агрегатами. The materials on scientific and practical results of the use of hydrodynamic, pneumohidrodinamic, pneumodinamic, vibration and microbiological impact on the development of new ways to impact on the gas-saturated coal beds, particularly at the opening outburst seams the preparatory workings and degassing of coal beds in the working out of their overhead wall and panelboard wall. 2012 Article Способы дегазации и предотвращения газодинамических явлений породоугольного массива с применением гидродинамического,пневмогидродинамического, пневмодинамического вибрационного и микробиологического воздействий / К.К. Софийский // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 100. — С. 282-295. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/53984 [622.817:622.831.325:532.5:579.2].001.5 ru Геотехническая механика Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Наведено матеріали щодо наукових та практичних результатів використання гідродинамічних, пневмогідродинамічних, пневмодинамічних, вібраційних та мікробіологічних дій щодо розробки нових способів дії на газонасичені вугільні пласти, зокрема при розкритті викидонебезпечних пластів, проведенні підготовчих виробок та дегазації вугільних пластів при їх відпрацюванні стелеуступними лавами та лавами, що оснащені щитовими агрегатами. |
| format |
Article |
| author |
Софийский, К.К. |
| spellingShingle |
Софийский, К.К. Способы дегазации и предотвращения газодинамических явлений породоугольного массива с применением гидродинамического,пневмогидродинамического, пневмодинамического вибрационного и микробиологического воздействий Геотехническая механика |
| author_facet |
Софийский, К.К. |
| author_sort |
Софийский, К.К. |
| title |
Способы дегазации и предотвращения газодинамических явлений породоугольного массива с применением гидродинамического,пневмогидродинамического, пневмодинамического вибрационного и микробиологического воздействий |
| title_short |
Способы дегазации и предотвращения газодинамических явлений породоугольного массива с применением гидродинамического,пневмогидродинамического, пневмодинамического вибрационного и микробиологического воздействий |
| title_full |
Способы дегазации и предотвращения газодинамических явлений породоугольного массива с применением гидродинамического,пневмогидродинамического, пневмодинамического вибрационного и микробиологического воздействий |
| title_fullStr |
Способы дегазации и предотвращения газодинамических явлений породоугольного массива с применением гидродинамического,пневмогидродинамического, пневмодинамического вибрационного и микробиологического воздействий |
| title_full_unstemmed |
Способы дегазации и предотвращения газодинамических явлений породоугольного массива с применением гидродинамического,пневмогидродинамического, пневмодинамического вибрационного и микробиологического воздействий |
| title_sort |
способы дегазации и предотвращения газодинамических явлений породоугольного массива с применением гидродинамического,пневмогидродинамического, пневмодинамического вибрационного и микробиологического воздействий |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2012 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/53984 |
| citation_txt |
Способы дегазации и предотвращения газодинамических явлений породоугольного массива с применением гидродинамического,пневмогидродинамического, пневмодинамического вибрационного и микробиологического воздействий / К.К. Софийский // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 100. — С. 282-295. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| series |
Геотехническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT sofijskijkk sposobydegazaciiipredotvraŝeniâgazodinamičeskihâvlenijporodougolʹnogomassivasprimeneniemgidrodinamičeskogopnevmogidrodinamičeskogopnevmodinamičeskogovibracionnogoimikrobiologičeskogovozdejstvij |
| first_indexed |
2025-07-05T05:22:24Z |
| last_indexed |
2025-07-05T05:22:24Z |
| _version_ |
1836783181203767296 |
| fulltext |
282
УДК [622.817:622.831.325:532.5:579.2].001.5
Отдел проблем технологий подземной
разработки угольных месторождений,
зав. отделом, д-р техн. наук К.К. Софийский
СПОСОБЫ ДЕГАЗАЦИИ И ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ
ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ ПОРОДОУГОЛЬНОГО МАССИВА
С ПРИМЕНЕНИЕМ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО,
ПНЕВМОГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО, ПНЕВМОДИНАМИЧЕСКОГО
ВИБРАЦИОННОГО И МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЙ
Наведено матеріали щодо наукових та практичних результатів використання гідродина-
мічних, пневмогідродинамічних, пневмодинамічних, вібраційних та мікробіологічних дій
щодо розробки нових способів дії на газонасичені вугільні пласти, зокрема при розкритті ви-
кидонебезпечних пластів, проведенні підготовчих виробок та дегазації вугільних пластів при
їх відпрацюванні стелеуступними лавами та лавами, що оснащені щитовими агрегатами.
METHODS OF PREVENT AND DEGASSING GASDYNAMIC PHENOM-
ENA MOUNTAIN MASSIF USING HYDRODYNAMIC,
PNEVMOGIDRODINAMIC, PNEUMODYNAMIC VIBRATION AND
MICROBIOLOGICAL ACTIVITY
The materials on scientific and practical results of the use of hydrodynamic, pneumohidrodi-
namic, pneumodinamic, vibration and microbiological impact on the development of new ways to
impact on the gas-saturated coal beds, particularly at the opening outburst seams the preparatory
workings and degassing of coal beds in the working out of their overhead wall and panelboard wall.
Развитие угольной промышленности в основных угледобывающих странах
сопровождается перманентным ухудшением природных условий разработки,
связанных с углублением горных работ и ростом опасностей в шахте, что нега-
тивно отражается на концентрации и интенсификации производственных про-
цессов добычи угля. Одним их основных природных факторов, негативно
влияющих на деятельность угольных шахт, является высокая газоносность угля
и вмещающих пород, с которой непосредственно связаны наиболее опасные
проявления сил газового и горного давления – газодинамические явления
(ГДЯ).
Интенсивность проявления ГДЯ по мере углубления горных работ непре-
рывно возрастает. При этом существенно (в 3-4 раза) возросли нагрузки на очи-
стные забои, темпы проведения подготовительных выработок и производитель-
ность труда шахтеров [1].
В последние годы разработаны несколько эффективных способов контроля
и борьбы с этим грозным явлением. Однако, несмотря на широкое внедрение
способов борьбы с ГДЯ, они продолжаются, иногда даже при выполненных
противовыбросных мероприятиях. Поэтому, необходимость совершенствова-
ния существующих способов и разработка новых является актуальной пробле-
мой при подземной отработке угольных пластов [2].
В ИГТМ НАН Украины отделом проблем технологий разработки угольных
283
месторождений был разработан экологичный и высокоэффективный метод гид-
родинамического воздействия на напряженный газонасыщенный массив, осно-
ванный на динамическом воздействии на него через скважину рабочим агентом
- технической водой [3].
Метод предполагает нарушение установившегося состояния в системе
«скважина – угольный пласт – вмещающие породы» путем осуществления цик-
лического знакопеременного изменения нагрузок с использованием совокупно-
сти природных факторов: давления вмещающих пород, структуры пласта и со-
держания газа в угле.
Сущность метода заключается в следующем. На угольный пласт бурится че-
рез породы почвы (кровли) технологическая скважина, которая обсаживается
металлическими трубами, герметизируется и в устье устанавливается быстро-
действующая задвижка. В угольный пласт подается в режиме фильтрации ра-
бочая жидкость. При достижении граничного давления режима фильтрации де-
лается его сброс быстрым открыванием задвижки. Циклические динамические
пригрузки угольного массива создают разность давлений, превышающий проч-
ность угля на растяжение. В результате происходит объемное разрушение и от-
рыв угля на толщину проникновения жидкости.
После отторжения и частичном выносе из скважины приконтурной разгру-
женной зоны пористого газонасыщенного угольного массива происходит заме-
щение объема извлеченного угля разрушенным и дальнейшее разрушение сво-
бодной поверхности в глубину массива за счет реализации сил внутренней
энергии и превышения скорости перемещения фронта образования вторичной
пористости над скоростью процесса фильтрации газа. Осуществляется дегаза-
ция зоны разрушения за счет десорбции метана и его интенсивной фильтрации.
После этого скважина подключается к шахтной дегазационной сети.
На базе метода гидродинамического воздействия разработаны, ставшие
нормативными, два способа гидродинамического воздействия на пласт: перед
его вскрытием и для обработки нижней части полосы, отрабатываемой щито-
вым агрегатом [4]. Разработаны методика проведения приемочных (промыш-
ленных) испытаний способа дегазации и снижения газодинамической активно-
сти угольных пластов в нижней части потолкоуступной лавы гидродинамиче-
ским воздействием и первая редакция СОУ «Правила ведения гидродинамичес-
кого воздействия и снижения газодинамической активности угольных пластов в
нижней части потолкоуступных лав», а также методика приемочных испытаний
способа снижения газодинамической активности угольных пластов гидродина-
мическим воздействием при проведении подготовительных выработок по поло-
гим пластам и первая редакция СОУ «Правила ведения гидродинамического
воздействия для снижения газодинамической активности гидродинамическим
воздействием при проведении подготовительных выработок по пологим пла-
стам». Ведутся горно-экспериментальные работы по совершенствованию пара-
метров гидродинамического способа воздействия перед вскрытием угольных
пластов промежуточными квершлагами, а также способа снижения гидродина-
мической активности в верхней части потолкоуступной лавы.
284
Гидродинамический способ воздействия перед вскрытием крутых угольных
пластов, склонных к ГДЯ, через подземные скважины позволяет значительно
сократить время обработки угольного массива до 2-3 смен в зависимости от
горно-геологических условий. Реализация этого способа предусматривает бу-
рение технологических скважин, число которых в зависимости от сечения
вскрывающей выработки колеблется от 2 до 6 [1]. Воздействие производится с
соблюдением режимов, обусловленных свойствами пласта и условиями его за-
легания.
Эффективность гидродинамического воздействия при пересечении уголь-
ных пластов подтверждается вскрытием более 160 участков выбросоопасных
газонасыщенных пластов без признаков ГДЯ.
В развитии способа гидродинамического воздействия на угольные пласты,
склонные к ГДЯ, перед их вскрытием квершлагами и промежуточными квер-
шлагами при отработке пластов щитовыми агрегатами полосами по падению
ведутся горно-экспериментальные работы по совершенствованию параметров
обработки породоугольного массива за 4 м зону выработки через одну техноло-
гическую скважину, пробуренную из центра забоя под углом 10-150 (рис. 1).
1 – 4 – скважины для замера пластового давления газа; I – технологическая скважина
Рис. 1– Схема расположения технологических скважин
Положительные результаты получены при применении способа гидродина-
мического воздействия перед вскрытием выбросоопасных угольных пластов k8
– «Каменка», m2 – «Тонкий» и m3 – «Толстый» горизонта 1146 м шахты им.
Ф.Э. Дзержинского.
Технологические скважины для гидродинамического воздействия на пласт
285
бурят из промквершлага или из полевой выработки до пересечения пласта на
полную мощность (рис. 2).
Количество скважин и схемы их расположения принимаются в зависимости
от месторасположения и размеров зоны, подлежащей гидродинамическому воз-
действию, а также от удаления полевой выработки от пласта.
Воздействие считается эффективным, если фактическое количество извле-
ченного угля из скважин составит не менее 0,5 % угля в обрабатываемой зоне и
коэффициент эффективности дегазации > 0,45.
Рис. 2 - Схема расположения технологических скважин в призабойном
пространстве вскрывающей выработки
В настоящее время продолжаются горно-экспериментальные работы, на-
правленные на определение параметров способа гидродинамического воздейст-
вия, для дегазации и снижения газодинамической активности средней части по-
лосы, отрабатываемой щитовым агрегатом, и уточнение минимального количе-
ства угля извлекаемого через одну технологическую скважину.
Приемочные испытания способа гидродинамического воздействия на на-
пряженные газонасыщенные угольные пласты, отрабатываемые лавами с по-
толкоуступной формой забоя по простиранию пластов, для их дегазации и сни-
жению газодинамической активности нижней части проводятся на шахтах ГП
«Дзержинскуголь».
Работы выполнены на участках длиной свыше 600 м и продолжаются до на-
стоящего времени. Скважины бурятся из полевой откаточной выработки, про-
водимой для подготовки выемочного участка.
Угольный пласт должен удовлетворять следующим требованиям:
предел прочности угля на отрыв, МПа не более 0,1;
природная газоносность угля, м3/т с. б. м. более 8,0;
286
глубина разработки, м более 500;
угол падения пласта, град. > 35;
мощность пласта, м не более 3,5.
Гидродинамическое воздействие на пласт производится после обсадки
скважин металлическими трубами и тампонажа закрепного пространства. Для
этого в технологическую скважину подают воду из противопожарного става
шахты в фильтрационном режиме со скоростью 30 - 40 л/мин. При достижении
давления в скважине 2 - 7 МПа осуществляется резкий сброс давления за время,
не превышающее 0,1 с, и производится выпуск жидкости из скважины вместе с
разрушенным углем и выделившимся газом. Давление воды в скважинах кон-
тролируется манометрами, установленными на пульте управления.
Циклы подачи и сброса жидкости повторяются до выхода из технологиче-
ской скважины расчетного количества угля (уточняется в процессе эксперимен-
тов).
Оценка эффективности воздействия производится:
1) по коэффициенту дегазации обработанного участка пласта
р
ф
д V
V
K = ,
где фV – фактический объем газа, выделившийся через технологическую
скважину, м3;
рV – расчетное количество газа в обрабатываемой зоне, м3, определяемое по
формуле
χγSmV р = ,
где S – площадь зоны обработки, м2;
m - мощность пласта, м;
χ - природная газоносность угольного пласта, м3/т с. б. м.;
γ – объемный вес угля, т/м3.
Количество вышедшего из технологической скважины метана во время и
после проведения воздействия определяется по его концентрации
CvStVф Δ= 01,0 ,
где: фV - фактический объем выделившегося метана, м3;
v - скорость движения воздушной струи, м/мин;
S - площадь сечения выработки в месте замера, м2;
287
Δ C - прирост концентрации метана над фоновой, %;
t - время выделения метана, мин.
Эффективной следует считать обработку массива с коэффициентом дегаза-
ции не менее 0,45.
2) По количеству извлеченного угля из технологической скважины.
Для определения количества извлекаемого угля в месте извлечения из
скважины угольной пульпы сооружается перегородка, объем которой
тарирован по объему. Эффективная обработка считается при выходе угля в
объеме не менее 2% из зоны обработки.
Выполненный комплекс шахтных инструментальных измерений показал,
что при гидродинамическом воздействии на пласт l7
в – «Пугачевка» через две
скважины образовывается разгруженная и дегазированная зона площадью до
3392 м2 с коэффициентом дегазации до 0,6, при этом признаки ГДЯ при веде-
нии очистных работ в зоне отсутствовали.
Разработан и прошел промышленную проверку способ гидродинамического
воздействия на пологие пласты через длинные скважины для повышения ско-
рости проведения подготовительных выработок смешанным забоем и техноло-
гическая схема его применения.
Технологическая скважина бурится на угольный пласт через породы кровли
или почвы пласта длиной длиной до 100 м с углом наклона до 30º. Забой сква-
жины должен пересекать угольный пласт на расстоянии не менее 10 м от забоя
выработки (рис. 3).
Рис. 3 - Схема расположения технологической скважины.
Затем производится гидродинамическое воздействие на пласт с давлением
нагнетания рабочей жидкости до 7 МПа. В длинной скважине при таком давле-
нии происходит кольматация фильтрующего объема, понижение проницаемо-
сти массива, увеличение количества объемно-связанной влаги, в результате че-
го оставшийся в пласте метан блокируется, что создает условия для безопасно-
го проведения подготовительной выработки со скоростью 10 м/сут.
С применением гидродинамического воздействия в качестве способа пре-
дотвращения ГДЯ на ПАО «Шахта им. А.Ф. Засядько» пройдено 269 м подго-
товительных выработок по двум выбросоопасным пластам что позволило уско-
рить темпы до 180 м/мес и снизить затраты на проведение подготовительных
288
выработок по выбросоопасным зонам. При этом признаки ГДЯ отсутствовали, а
концентрация метана находилась в пределах 0,18-0,35 %.
Горно-экспериментальные работы по отработке параметров гидродинамиче-
ского способа воздействия на верхнюю часть потолкоуступной лавы для дега-
зации и снижения газодинамической активности угольного пласта проводятся в
горно-геологических и горнотехническихусловиях отработки пласта l7
в – «Пу-
гачевка» участка №65-1146 м шахты им. Ф,Э. Дзержинского ГП «Дзержинск-
уголь». Ниспадающая скважина бурится из забоя полевого вентиляционного
штрека под углом падения 10-150 с выходом на пласт (рис. 4).
Рис. 4 - Расположение технологической скважины для гидродинамического
воздействия в верхней части потолкоуступной лавы
Получены первые результаты по пяти проведенным экспериментам, позво-
ляющие судить о перспективности данного способа: при нормативном коэффи-
циенте дегазации угольного массива (kд>0,45) получена зона разгрузки вокруг
скважины радиусом 15 м, а объем выхода газа из этой зоны составил порядка 8-
9 тыс. м3.
Другим перспективным направлением работы отдела является создание ус-
ловий максимального улучшения коллекторских свойств прискважинной зоны
поверхностной дегазационной скважины (ПДС) и горного массива для обеспе-
чения длительного газовыделения угольного метана в промышленных объемах.
ИГТМ НАНУ совместно с ПАО «Шахта им. А.Ф. Засядько» был предложен
пневмогидродинамический (ПГДВ) способ по интенсификации добычи метана
угольных месторождений, в том числе способ восстановления дебита ПДС.
Сущность способа заключается в следующем. С земной поверхности бурит-
ся поверхностная дегазационная скважина до угольного пласта и не добурива-
ется до него на расстояние не менее 5 его мощностей. По всей длине скважина
обсаживается металлическими трубами с тампонажем затрубного пространства.
На участке продуктивных горизонтов создается перфорация обсадных труб.
ПДС заполняется водой на 30 м выше продуктивного горизонта. В скважину
опускаются насосно-компрессорные трубы (НКТ). Устье скважины оборудует-
ся устройствами ПГДВ для управления процессом воздействия как через НКТ,
так и через межтрубное пространство (МТП). Компрессором создается в ПДС
расчётное давление и осуществляется 5-6-ти ступенчатый сброс давления воз-
289
духа во времени равном 10-18 мин, т.е. производятся знакопеременные нагруз-
ки на закольматированный фильтрационный объём. В результате этого за счет
скорости обратной фильтрации жидкости происходит активный вынос кольма-
тационных материалов из пор и трещин в ПДС, что способствует эффективно-
му соединению прискважинного фильтрационного объёма с фильтрационным
объёмом подрабатываемого массива.
Экспериментальные работы по ПГДВ на пласт m3 осуществлялись на поле
шахты им. А.Ф. Засядько через ПДС МТ-336, МТ-338 (подработанные лавой)
Щ-1355, МС-598, 1185Д, 1186Д и ЗД-4 (неподработанные лавой) (табл. 1). Из
скважин МТ-336 и МТ-338 газовыделение началось сразу после воздействия и в
течение 2-3 месяцев достигло максимального дебита. Дебит скважин соответст-
венно составил 10,2 тыс. м3 и 21,4 тыс. м3 в сутки. Воздействие через ПДС Щ-
1355, расположенную на неподработанном массиве, сразу не дало результата.
Экспериментальные работы были повторены, когда очистной забой находился
в 100 м от забоя ПДС и только через 2 месяца, когда очистной забой пересек
забой ПДС, без дополнительных мероприятий, началось газовыделение. То же
явление наблюдалось и на ПДС МС-598, 1185Д, 1186Д и ЗД4, где ПГДВ прово-
дилось соответственно за 2 года, за 3 месяца, за 2 месяца и за месяц до пересе-
чения скважин очистными забоями. При этом установлено, что независимо от
времени проведения ПГДВ газовыделение из ПДС начинается при приближе-
нии к ним очистных забоев на расстоянии до 30 м и после подработки массива
на расстоянии от ПДС до 50 м. Дебит скважин соответственно составил 7,1;
24,5; 17,15; 32,4 и 24 тыс. м3 в сутки. Все 7 ПДС были подключены к шахтному
газопроводу.
В случае, когда ПГДВ осуществлялся на неподработанный горный массив и
в результате прохождения лавы, и как следствие посадки основной кровли,
скважины могут быть отрезаны. Дебит таких скважин, как правило, отсутству-
ет, или значительно падает. Возможность применения ПГДВ невозможно, по
причине невыполнения условия, что необходим уровень воды, который должен
быть выше на 30 м от уровня перфорации. Это связано с тем, что из-за наруше-
ния целостности призабойнного и затрубного пространства скважины невоз-
можно поддерживать необходимый уровень воды в ПДС. Поэтому было приня-
то решение о применении пневмодинамического воздействия (ПДВ).
Особенностью ПДВ на пористый, водогазонасыщенный угольный пласт
является повышение фазовой проницаемости пласта для газа, независимо от
режима внедрения воздуха в пласт, а также снижение сорбционной способно-
сти угля для метана за счет его нагрева теплым воздухом и вследствие химиче-
ского реагирования кислорода воздуха с поверхностью пор и трещин [5].
290
Таблица 1 –
Результаты работы ПДС после ПГДВ, пробуренных на массив,
подрабатываемый выработками по пласту m3 (на 01.05.2012 г)
№
п/п
№ сква-
жин
Глубина,
м
Добыто
метана,
млн м3
Средне-
суточный
дебит, тыс
м3
Кол-во
работы,
сут.
Примечание
21,66 10,20 2123 Работу начала 06.10.04 г.
Отключена с 01.08.10 г.
0,62 1,170 529 Подключена с 19.11.10 г.
1 МТ-336 1267
Газовыделение продолжается
Работу начала 03.04.05 г. 2 МТ-338 1268 55,26 21,40 2582
Газовыделение продолжается
Работу начала 01.10.07 г. 3 Щ-1355 1330 11,89 7,10 1674
Газовыделение продолжается
Работу начала 14.05.08 г. 4 МС-598 1341 35,45 24,50 1447
Газовыделение продолжается
12,21 17,15 712 Работу начала 18.06.09 г.
Отключена 01.06.11 г.
0,13 0,60 219 Подключена 24.09.11 г.
5 1185Д 1356
Газовыделение продолжается
1186Д 1,59 32,40 49 Работу начала 23.08.10 г.
(ЗД-1) Отключена с 11.10.10 г.
0,82 1,50 545 Подключена 03.11.10 г.
6
1290
Газовыделение продолжается
7 ЗД-4 1302 0,37 1,00 37 Роботу начала 25.03.12
Газовыделение продолжается
Таким образом, для проверки вышесказанного было проведено воздействие
на две ПДС на участке шахты им. А.Ф. Засядько. Скважина Д-5 пробурена до
глубины 1353 м, зона перфорации составляет 360 м. После прекращения выде-
ления метана, скважина была отключена от системы газопровода. Для восста-
новления выделения метана, было принято решение о применении ПДВ. Было
произведено 10 циклов. При которых в скважину закачивался воздух и давле-
ние достигало отметки 5-7 МПа. Затем производился резкий сброс давления. В
результате, концентрация метана в скважине после воздействия составила 8%.
Скважина 1186-Д пробурена до глубины 1290 м, зона перфорации составля-
ет 350 м. Газовыделение с концентрацией 28,8-36,0 тыс м3/сут. при 100 % кон-
центрации метана из скважины 1186-Д продолжалось до 10.10.2010 г. при этом
лава удалилась от нее на 110 м. С 11.10.2010 г. дебит из скважины упал до 0.
После обрушения основной кровли и удалении лавы от дегазационной скважи-
ны на 200 м при ее нулевом дебите было проведено 3 цикла ПДВ. В скважину
нагнетался воздух до давления равного 5-7 МПа. В результате получили, что
при первых циклах воздействия концентрация метана составила 4-6%, а макси-
мальное давление в затрубном пространстве достигло 5,8 МПа. На вторые су-
тки ПДВ концентрация метана в скважине достигла устойчивого значения рав-
291
ное 6%, а в насосно-компрессорной трубе даже превысило 6%. На следующие
сутки ПДВ концентрация метана в скважине составила 100%, а 02.11.2010г. су-
точный дебит метана из скважины достиг 1,5 тыс м3. С 03.11.2010г. скважина
была подключена к системе газопровода шахты им. А.Ф. Засядько.
Добыто и утилизировано с 7 ПДС более 140 млн. м3 метана.
Экспериментальные работы показали, что в результате применения ПГДВ
и ПДВ происходит полная декольматацияя прискважинной зоны, образование
устойчивой фильтрационной системы, соединенной с фильтрационной систе-
мой в выработанном пространстве, способной транспортировать газ из масси-
ва за пределы скважины, независимо от того, как давно производилось воз-
действие.
Увеличение добычи угля угольными шахтами Украины предусматривается
получить, в основном, за счет интенсификации добычных работ путем разра-
ботки новых высокоэффективных технологий и средств управления горным
давлением, которые должны базироваться на изменении напряженно-
деформированного состояния массива горных пород. В связи с этим ИГТМ
НАН Украины установлены закономерности и обоснованы параметры управле-
ния напряженно- деформированным состоянием призабойной части угольного
пласта вибрационным воздействием на него через вмещающие породы. Для
этого в результате решения уравнения движения пористой газонасыщенной
среды были установлены зависимости между напряжением в угольном пласте и
динамической пригрузкой. При этом, возникающие в массиве горных пород
при волновом воздействии напряжения от небольших по значению амплитуд
динамических пригрузок, изменяются по параболическому закону. Это свиде-
тельствует о том, что в напряженной среде слабые вибрационные воздействия
приводят к значительным преобразованиям в ней. Оценивая деформации, ам-
плитуды и количества циклов вибрационного воздействия при помощи крите-
рия Менсона-Коффина рассчитано количество циклов, необходимое для разру-
шения угля, которое находится в пределах от 100 до 1000. Учитывая граничные
значения предела прочности и модуля Юнга определена граница для критиче-
ского значения относительной деформации, которая составляет 2·(10-6...10-3) м.
С другой стороны относительная деформация определяется как отношение уд-
военной амплитуды волны Рэлея к мощности пласта и равна (10-6...10-3) м. Та-
ким образом, физическая сущность волнового воздействия заключается в сле-
дующем. Волновое воздействие на призабойную часть угольного пласта осуще-
ствляется через боковые (вмещающие породы) с амплитудой (10-6...10-3) м, от-
носительный деформацией 2·(10-6...10-3) м и количеством 100-1000 циклов. Раз-
работана математическая модель процесса и механизма разрушения угля при
вибрационном воздействии при помощи, которой решена задача нахождения
дополнительных напряжений, возникающих в результате воздействия динами-
ческой нагрузки. Кроме того воспользовавшись дифференциальными уравне-
ниями в перемещениях получены результаты импульсного (вибрационного)
воздействия на массив горных пород в виде одиночного (рис. 5) и двойного
(рис. 6) импульса у забоя, в зоне максимума опорного давления и за этой зоной.
292
Рис. 5 – Динамические напряжения при воздействии одним импульсом
Рис. 6 – Динамические напряжения при воздействии двойным импульсом
Анализ полученных результатов показал, что возникающие динамические
нагрузки (1-5 МПа) соразмерны с величинами напряжений, образующихся от
технологического воздействия при традиционных способах добычи угля, т.е.
скорости нагружения пласта (10-100 МПа/с) достаточны критическим скоро-
стям. Максимальные значения динамических пригрузок и скоростей их измене-
ния наблюдаются в точках пласта, находящихся в зоне максимума опорного
давления. С увеличением длительности импульса от 0,005 до 0,15 с увеличива-
ется величина разгрузки пласта от 0,89 до 3,2 МПа, но уменьшается скорость
разгрузки от 211 до 22 МПа/с. Таким образом, импульсное воздействие на
пласт через вмещающие породы позволяет управлять напряженным состоянием
пласта, особенно в зоне максимума опорного давления.
Для реализации управления состоянием призабойной частью угольного пла-
ста вибрационным воздействием разработаны средства (патент Украины
№14481) и способ воздействия. В первый ряд гидравлических стоек механизи-
293
рованных крепей(типа КМ87, 3КД90, 3КД90Т) устанавливаются генераторы
импульсных колебаний, в которых маслостанцией типа СНУ-5 создают усилие
предварительного распора (32-75 МПа). Путем регулирования предохранитель-
ных клапанов настраивается необходимый режим импульсной нагрузки - раз-
грузки (1-5 МПа, 2-20 МПа), позволяющий изменять упругие и неупругие ха-
рактеристики угольного пласта через вмещающие породы, что при выполнении
20-100 импульсов приводит к смещению зоны максимума опорного давления
вглубь массива, разупрочнению призабойной части угольного пласта и интен-
сивному выделению газа.
В результате экспериментальных исследований процесса вибрационного
воздействия на шахтах «Комсомолец Донбасса» (ГП «Шахтерскантрацит»), им.
К.Е. Ворошилова («Северная») и «Торецкая» ГП «Дзержинскуголь» на пластах
l7, l3, k1
5 и l1
2 мощностью 0,85-1,1 м и углами падения от 3° до 55°, установлено,
что размер зоны эффективного влияния вибрационного воздействия составил
11 м, максимум начальной скорости газовыделения смещается с 2 м до воздей-
ствия до 3,5 м после воздействия, а величина скорости газовыделения снижает-
ся с 3,9 до 0,9 л/мин, т.е. почти в 4 раза. При этом шумность пласта увеличива-
ется в 3,8 раза (с 15 имп./ч до 55 имп./ч), что свидетельствует о процессе интен-
сивного образования трещин. Результаты измерений энергетических затрат при
выемке пласта показывают, что после вибрационной обработки энергозатраты
на разрушение 1 п. м угольного пласта снижаются на 30,8%.
В результате исследований установлены параметры вибрационного воздей-
ствия и разработаны технологические схемы способов воздействия, ожидаемый
годовой экономический эффект от внедрения которых составляет от 437 до 935
тыс. грн. за счет снижения затрат противовыбросные мероприятия и повыше-
ния в 2-3 раза производительности труда.
ИГТМ НАН Украины совместно с институтом биологии и вирусологии
НАНУ под руководством Ф.А. Абрамова разработан способ получения биомас-
сы с использованием метанотрофных (метаноокисляющих) бактерий перераба-
тывающих шахтный метан.
Метанотрофные бактерии представляют собой одноклеточные микроорга-
низмы, имеющие микронные размеры и характеризующиеся способностью ис-
пользовать метан в качестве единственного источника углерода и энергии при
наличии в водной среде только нескольких минеральных солей.
В этих условиях, при оптимальных для жизнедеятельности бактерий значе-
ниях, концентрации метана, кислорода, температуры, давления среды и других
факторов, метанотрофы окисляют метан и интенсивно размножаются, накапли-
вая свои клетки - биомассу. При этом для накопления 1 кг. биомассы бактерии
потребляют 2-3 м3 метана.
С целью изучения возможностей использования каптируемого метана
угольных пластов для биосинтеза белковой массы Институтом геотехнической
механики НАНУ и Институтом микробиологии и вирусологии НАНУ разрабо-
тан экспериментальный образец шахтной установки для получения биомассы
метаноокисляющих бактерий.
294
Основными элементами технологической схемы получения биомассы из
шахтного метана являются:
горный массив, включающий сближенные газоносные угольные пласты;
система дегазации шахты, состоящая из вакуумнасосной установки, дегаза-
ционных скважин и системы магистральных трубопроводов для транспортиро-
вания метановоздушной смеси;
шахтный блок ферментаторов для наращивания суспензии метаноокисляю-
щих бактерий, включенный в дегазационную установку шахты.
Наращивание суспензии метаноокисляющих бактерий производится в био-
реакторах (ферментерах), в которые вводится питательная среда (питьевая или
техническая вода с незначительными добавками минеральных солей) и маточ-
ная культура метаноокисляющих бактерий. В ферментерах обеспечиваются
необходимые температурные режимы, подача метановоздушной смеси и мас-
сообмен. Процесс наращивания бактерий осуществляется в непрерывном или
цикличном режимах.
Экспериментальный образец разработанной установки для культивирования
метаноокисляющих бактерий на шахтном метане впервые был испытан в усло-
виях шахты «Ясиновская - Глубокая» ПО «Советскуголь». Достигнутая плот-
ность бактериальной суспензии в режиме цикличного наращивания в перерас-
чете на сухое вещество составила 15,2 г/л при производительности установки
350 литров в сутки.
Биомасса метаноокисляющих бактерий, полученная в результате биологиче-
ского окисления метана угольных пластов, может найти широкое применение.
Например, для снижения концентрации метана в выработанных пространст-
вах лав, такие испытания были проведены ИГТМ и ИМВ НАНУ на ряде шахт
Донбасса, где концентрация метана снижалась от 30-57%, что позволяет по га-
зовому фактору увеличить нагрузку на очистной забой в 1,4-1,8 раза.
Преимуществом использования шахтного метана для производства белка,
по сравнению с применением газа в качестве топлива в котельных установках,
для которых характерно сезонное потребление газа в осенне-зимний период,
является возможность круглогодичного получения белкой продукции, и следо-
вательно, более полного использования углеводородных ресурсов.
Важным также преимуществом использования шахтного метана для полу-
чения белковой продукции является возможность концентрации всего произ-
водства в пределах поверхностного комплекса шахты. При этом отпадает необ-
ходимость в создании сети коммуникаций и трубопроводов для подвода мета-
на к потребителям.
Отличительной особенностью такой технологии является то, что она позво-
ляет использовать метановоздушные смеси как низкой (до 15%), так и высокой
(до 90% и более) концентрации метана.
Важным направлением использования биомассы, получаемой на каптируе-
мом из шахты метане, является применение его в качестве высококалорийных
добавок в корм сельскохозяйственных животных, птицы и рыб. Получаемая из
метана биомасса содержит не менее 60% белка (для сравнения: горох – 22 %,
295
соя – 40%), богатого содержанием незаменимых аминокислот и витаминов. Его
применение в качестве белковых добавок в корма обеспечивает значительное
повышение продуктивности животных (свыше 15%) и существенную экономию
концентрированных кормов (на 20% и более).
Если учесть, что на синтез 1 кг клеток бактерий используется 2-3 м3 метана,
легко рассчитать, что при каптаже 90 м3/мин метановоздушной смеси с 32%-ой
концентрацией СН4 , применение ферментера объемом 187 м3 позволяет полу-
чить в год 3110 тонн белкой продукции. Как показали расчеты, получение био-
массы с использованием каптируемой метановоздушной смеси в объёме 90
м3/мин. со средней концентрацией метана 32% является экономически выгод-
ным. При рентабельности производства около 30%, срок окупаемости строи-
тельства ферментационной установки составит 3 года. Себестоимость одной
тонны гаприна составит 2472 грн. При рыночной цене белково-витаминного
концентрата составит эквивалентной энергетической ценности по сырому про-
теину 3622 грн. Использование такого количества добавок к корму животных и
птицы позволяет произвести дополнительно 2-2,5 тысячи тонн мяса (в живом
весе), т.е. обеспечить питанием, согласно научно обоснованным нормам, в те-
чение года 15-22 тысячи человек. Чтобы получить такое же количество белка,
например, из ячменя, необходимо бы засеять им 3-5 тысяч гектаров земли.
Биосинтез метаноокисляющих бактерий на основе метана угольных шахт
позволяет уменьшить выбросы метана в атмосферу и сэкономить значительные
площади пахотных земель для производства дополнительных объёмов сельско-
хозяйственной продукции.
ИГТМ НАН Украины по договору с ш. им. А.Ф. Засядько разработано ТЭО
на создание оптимальной установки для производства гаприна из шахтного ме-
тана.
Таким образом, отделом проблем технологий разработки угольных место-
рождений ИГТМ им. Н.С. Полякова НАН Украины разработаны 2 нормативных
способа воздействия на горный массив с целью предотвращения ГДЯ и 4 спо-
соба воздействия для дегазации горного массива, которые находятся в стадии
промышленных испытаний. Кроме того, отделом разрабатываются 5 способов
направленных на дегазацию и снижение газодинамической активности уголь-
ных пластов, которые находятся в стадии экспериментальных работ в промыш-
ленных условиях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Терентьев Б.Д., Ступко Е.С. Разработка методов и способов снижения выбросоопасно-сти угольных пла-
стов. - ГИАБ. - 2004.- №4. – С. 191 – 194.
2. Рубинский А.А., Радченко А.Г., Недосекин Б.Н. О необходимости со-вершенствования текущего прогно-
за в зонах геологических нарушений на пологих выбросоопасных пластах /. Сб. науч. тр. МакНИИ: Макеевка -
Донбасс, 1992. – С. 71-79.
3. Гідродинамічна дія на газонасичені вугільні пласти / А.Ф. Булат [та ін.]. – Дніпропетровськ: Поліграфіст,
2003. – 220 с.
4. Правила ведення гірничих робіт на пластах, схильних до газодинамічних явищ [Текс]: СОУ
10.1.00174088.011-2005: додаток Ж. - [чинний від 2005-12-01]. -К.: Мінвуглепром України, 2005. - 224 с.
5. Установление закономерностей процесса пневмодинамического воздействия / К.К. Софийський,
П.Е. Филимонов, Р.А. Агаев // Сб. научн. трудов.: «Геотехническая механика». – Днепропетровск, 2010. –
№ 89. – С. 3-9.
296
УДК [620.92:621.311:622.012.2].001.6
Отдел проблем шахтных энергетических комплексов
канд. техн.наук.
зав. отделом. д-р техн. наук Е.В. Семененко
ОТДЕЛ ПРОБЛЕМ ШАХТНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ.
ОСНОВНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ
У статті викладена історія створення відділу і охарактеризовані його основні досягнення.
Вони покладаються у наступному: створення енергоблоків по виробці електроенергії на теп-
ловом використанні; створенні автономних джерел енергії; диверсифікації вугільних шахт у
напрямку заглубленої переробки вугілля; паротурбінної та газопоршневої когенерації; реалі-
зація когенераційних технологій; зниження витрат на збагачення і транспортування вугілля
до електростанцій. У подальшому – розвиток робіт планується в напрямках обґрунтування
технологій утилізації низькопотенціального тепла шахтних енергокомплексів на основі низь-
ко киплячих робочих тіл і реактивних гідро парових турбін; розвитку наукових заснов тех-
нологій створення і транспортування водовугільного палива.
DEPARTMENT OF PROBLEMS OF MINE POWER COMPLEXES. BASIC
ACHIEVEMENTS
In the article the expounded history of creation of department and his basic achievements are
described. They are laid in the following: creation of power units on making of electric power on
the thermal use; creation of autonomous energy sources; diversifications of coal mines in direction
of the depth downward processing of coal; and gasapiston cogeneration steam-turbine; realization
of cogeneration technologies; cost cutting on enrichment and transporting of coal to power-stations.
In subsequent is development of works is planned in directions of обґрунтування technologies of
utilization of potential downward heat of mine energycomplexes on the basis of low boiling works
bodies and reactive hydraulic steam-turbines; development of scientific bases technologies of crea-
tion and transporting of water-coal fuel.
Отдел проблем шахтных энергетических комплексов был создан в 1999 г. на
базе отдела привода горных машин. Заведующим отделом был назначен к.т.н.
Игорь Федорович Чемерис. Основное направление деятельности отдела – раз-
работка научных основ создания энергосберегающих технологий и технических
средств выработки и рационального использования электрической и тепловой
энергий, полученных при сжигании отходов углеобогащения, низкосортного
угля и метана в шахтных энергокомплексах.
В соответствии с научным направлением работы в отделе ориентированы на
технико-экономические исследования и определение рациональных параметров
функционирования шахтных энергокомплексов в различных горно-
технологических условиях, а также на разработку научно-технических основ,
способов и технических средств интенсификации процессов производства и ра-
ционального использования электрической и тепловой энергий, полученных
при сжигании отходов углеобогащения, низкосортного угля и шахтного метана.
С момента создания отдела его сотрудники активно включились в разработ-
ку и внедрение прогрессивных способов выработки тепловой и электрической
энергий. Уже на первом году деятельности отдела под руководством зав. отдела
к.т.н. Чемериса И.Ф. при непосредственном участии ст. научн. сотр. Кухаренко
И.Ф. Чемерис
|