Разработка способа повышения эффективности дегазации шахт скважинами, пробуренными с поверхности (на примере Шахтерско-Торезского района Донбасса)

Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" предусматривается увеличение добычи угля к 1985 году до 770−800 млн. тонн в год. Основной прирост добычи должен быть достигнут за счет повышения производительности труда. Выполнение этого задания Коммунистической партии Советского Союза требует широкого применения новой техники и прогрессивной технологии разработки угольных месторождений.

Многочисленные исследования технико-экономической эффективности систем разработки угольных пластов показали, что в условиях комплексной механизации очистных работ наиболее эффективными являются столбовые системы с обратным порядком отработки выемочных полей и погашением выработок по мере подвигания забоя. Они имеют ряд преимуществ, основными из которых являются:

— разделение очистных и подготовительных работ во времени и в пространстве;

— улучшение поддержания подготовительных выработок (затраты на поддержание уменьшаются в 2−4 раза);

— заблаговременная разведка и частичная дегазация выемочного поля подготовительными выработками;

— упрощение технологических операций на концевых участках лав, за счет выемки пластов без ниш.

Переход шахт на столбовые системы разработки является главным направлением совершенствования технологии подземной добычи угля. В 1982 г. только шахты Минуглепрома УССР применяли их в 853 лавах. При этих системах обеспечивается возможность увеличения нагрузки на очистные забои, оснащенные современными выемочными комплексами, до 5000 т/сут. Однако использование этих возможноетей в газовых шахтах ограничивается обильным выделением метана, сопровождающим горные работы. Так при газообильности шахт 30 и3/т нагрузка на очистной забой ограничена 400−600 т/сут. В Донбассе около 70 шахт имеют газообидьность более 30 м3/т, из них 10 шахт — более 100 цв/т. Количество их непрерывно возрастает. Если в 1960 г. сверхкатегорные и опасные по внезапным выбросам угня и газа шахты составляли 45% от общего их количества, то в 1980 г. — 60%, а к 2005 году по прогнозу ожидается увеличение количества таких шахт до 80%. Поэтому достижение запланированной добычи угля и повышение производительности труда невозможно без эффективной дегазации угольных месторождений. Широко применяемый для этого способ каптирования метана скважинами, пробуренными из горных выработок, не обеспечивает необходимого снижения метано-обильности. В условиях погашения вентиляционных выработок скважины работают в течение нескольких дней, пока они находятся впереди очистного забоя. После подработки устьев скважин содержание метана в отсасываемом газе быстро падает и скважины отключают. В связи с этим при столбовых системах разработки одновременно работают не более двух скважин и эффективность их не превышает 30%. Такой эффект недостаточен для предотвращения опасных скоплений метана на сопряжениях лав с вентиляционными выработками. Ликвидация их путем усиления проветривания в большинстве случаев невозможна, так как достигнут предел скорости воздуха в рабочих пространствах лав. Там же, где скорость ниже предельной, увеличение расхода воздуха требует больших затрат на реконструкцию вентиляционных систем. Поэтому наиболее реальным способом обеспечения нормального содержания метана в атмосфере горных выработок высокопроизводительных выемочных участков является эффективная дегазация сближенных пластов и выработанных пространств. Попытки обеспечить ее за счет изменения параметров и схем расположения скважин, включая бурение их из специальных выработок, не дали положительных результатов. Этим, по-видимому, объясняется все более широкое применение дегазации подработанных пластов и выработанных пространств скважинами, пробуренными с поверхности, В 1982 г. в пяти производственных объединениях были пробурены 105 таких скважин общей протяженностью 38,7 км. Затраты на их бурение и оборудование составили около двух миллионов рублей. В то же время эффективность таких скважин изучена совершенно недостаточно. До настоящего времени нет научно обоснованного метода проектирования дегазации шахт с помощью вертикальных скважин. «Руководством по дегазации угольных шахт» рекомендованы конструкция скважин и параметры способа, основанные на обобщении опыта применения его в Карагандинском бассейне. При этом не учитываются такие важные факторы, влияющие на метанодобываемость скважин, как газоносность дегазируемого массива, расположение в нем угольных пластов, разрежение в скважинах. Пренебрежение ими приводит к существенным ошибкам и нерациональному расходованию средств.

Известно, что в вертикальные скважины поступает не только метан, но и воздух из выработанных пространств. Зависимости подсоса воздуха от горнотехнических условий не установлены, поэтому нельзя определить расход отсасываемой газовой смеси, а, следовательно, нельзя рассчитать необходимый диаметр газопроводов и правильно выбрать источники тяги.

Несовершенство метода проектирования дегазации шахт вертикальными скважинами является главной причиной несоответствия параметров и режимов работы скважин горнотехническим условиям и, как следствие этого, низкой эффективности дегазации.

Учитывая многофакторность зависимости эффективности вертикальных скважин от горнотехнических условий, изучение ее только эмпирическим путем потребует много средств и времени, кроме этого эмпирические зависимости не могут учесть всего разнообразия факторов, влияющих на эффективность дегазации, поэтому основанный на них метод проектирования дегазации не исключит полностью ошибок.

В свете изложенного, представляется актуальной задача разработки метода исследования процесса движения газа в подработанном горном массиве на основе теории фильтрации и использования современных способов и средств вычислительной техники. Такой метод позволил бы значительно сократить объем экспериментальных работ и ускорить решение важной народнохозяйственной задачи.

Основной объем исследований выполнен в условиях Шахтерско-Торезского района Донбасса. Экспериментальная часть работы выполнена автором совместно с работниками МакНИИ в рамках работы № 0II5805000 «Разработать и внедрить метод комплексной дегазации высокопроизводительных выемочных участков», входящей в программу ПШТ СМ СССР по проблеме 0.05.07 и выполнявшейся МакНИИ совместно с ИПКОН АН. СССР по договору о социалистическом содружестве. Цель работы — совершенствование метода расчета и определение оптимальных параметров и режимов дегазации шахт скважинами, пробуренными с поверхности.

Методы исследования: численное моделирование фильтрации газа в подработанном горном массивеэкспериментальное изучение характеристик и режимов работы действующих дегазационных систем. На защиту выносятся;

— метод определения оптимальных параметров скважин, пробуренных с поверхности, на основе расчета фильтрации газа в подработанном горном массиве;

— пакет программ, реализующий метод конечных элементов, применительно к задачам фильтрации газов;

— оптимальные значения параметров дегазационных скважин, пробуренных с поверхности, для условий разработки пологих пластов.

Донбасса.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— по результатам численного моделирования установлена зависимость эффективности дегазации от величины породной пробки и выбраны оптимальные, в смысле эффективности, параметры скважин, пробуренных с поверхности, для условий разработки пологих пластов Донбасса;

— предложен способ дегазации сближенных подработанных пластов вертикально-горизонтальными скважинами, пробуренными с поверхности. Способ защищен авторским свидетельством;

— для исследования движения газа в подработанном горном массиве разработан пакет прикладных программ, реализующий метод конечных элементов. Это дало возможность более подробного, по сравнению с существующими моделями, исследования и теоретической оценки параметров и режимов работы дегазационных скважин.

Достоверность научных положений и полученных результатов подтверждается:

— удовлетворительной сходимостью (в пределах 10−15%) расчетных характеристик дегазационной системы с экспериментальными, замеренными в условиях ш." Стожковская" ПО «Шахтерскантрацит» ;

— подтверждением теоретически определенных оптимальных значений параметров дегазационных систем экспериментальными параметрами, подобранными в результате длительного применения вертикальных скважин.

Практическая ценность работы заключается:

— в разработке метода, позволяющего определять оптимальные параметры дегазационных систем на основе решения задачи фильтрации газа к скважине;

— в определении оптимальных значений параметров скважин, пробуренных с поверхности, для условий Шахтерско-Торезского района Донбасса. Реализация результатов.

I.Оптимальные параметры скважин, определенные на основании расчетов, применены шахтами «Винницкая» и «Стожковская» ПО «Шахтерскантрацит» с положительным техническим эффектом: на шахте «Винницкая» эффективность дегазации увеличилась с 37 до 56 $, на шахте «Стожковская» — с 50 до 71 $. В обоих случаях содержание метана в извлекаемой газовой смеси возросло с 25−30 $ до 40−50 $.

2.Разработанный метод расчета параметров дегазационных скважин, пробуренных с поверхности, вошел составной частью в научно-исследовательскую работу МакНИИ № II5805000079 «Разработать и внедрить метод комплексной дегазации высокопроизводительных выемочных участков», выполняемую по программе ГКНТ при СМ СССР по проблеме 0,05.07. Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались:

— на Международной конференции «Применение. ЭВМ и математических методов в горном деле», АПК0М-80 (1980 г.);

— на научно-технических конференциях молодых ученых ИПКОН АН СССР (1981, 1982 гг.).

Публикации. Основные положения диссертации отражены в шести публикациях.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 96 страницах, включая 21 рисунок, 7 таблиц, список литературы из 65 названий и два приложения.

Выводы.

I.Разработанный пакет программ применен для расчета реальной дегазационной системы в условиях шахты «Стожковская»? Сравнение результатов расчета с натурными данными показало совпадениес ошибкой, не превышающей погрешностей определения исходных данных, что доказывает применимость пакета для расчетов оптимальных параметров дегазационных систем. 2. Результаты численного моделирования процесса дегазации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе решена задача повышения эффективности дегазации угольных шахт скважинами, пробуренными с поверхности, за счет выбора параметров и режимов работы дегазационных систем, соответствующих горно-геологическим условиям.

Исследование движения газа к скважинам выполнено путем математического моделирования на основе метода конечных элементов. Идентификация модели и проверка полученных результатов проведена по данным шахтных экспериментов в условиях Шахтерско-Торезского района Донбасса.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем.

1.Разработана программная модель движения газа в подработанном горном массиве, реализованная в виде пакета прикладных программ для ЕС ЭВМ, позволяющая исследовать процесс дегазации шахт скважинами, пробуренными с поверхности, и определять оптимальные параметры и режимы работы дегазационных систем на основе реше.

••ния задачи фильтрации газа методом конечных элементов.

2.По результатам численного моделирования установлено, что в условиях Шахтерско-Торезского района Донбасса оптимальными, по эффективности являются следующие значения основных параметров дегазационной системы:

— расстояние между забоем скважины и разрабатываемым пластом — 20 -f 30 его мощностей;

— расстояние между скважинами — 140 — 150 м;

— разрежение в устье скважины — не менее 150 гПа.

3.Выбор параметров дегазации на основе расчетов по предложенной программе, по сравнению с нормативными дает следующие преимущества:

— эффективность дегазации увеличивается, в среднем, на 20%;

— объем буровых работ сокращается в два раза;

— увеличивается содержание метана в извлекаемой газовой смеси и количество метана, пригодного для утилизации.

4.Расчетный экономический эффект от оптимизации параметров на основе математического моделирования составляет, в условиях Шахтероко-Торезского района Донбасса, 66 тыс. руб. в год на одну лаву.

5.Разработан в соавторстве способ дегазации подработанных сближенных пластов вертикольно-горизонтальными скважинами, защищенный авторским свидетельством.

Основные положения и результаты работы изложены в следующих публикациях.

1.Программная модель дегазационной системы выемочного участка угольной шахты. — Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело: Реферативный сборник /ЦНИЭИуголь.-М., 1981 г., Jfc'3f стр. 16.

2.Разработка и исследование на ЭВМ алгоритма квазиоптимального управления процессом дегазации спутников угольного пласта.-Применение ЭВМ и математических методов в горном деле: Труды 17-го Международного симпозиума.- М., Недра, 1982 г., т.3, 307 стр. Соавторы: В. Н. Павлыш, О. Й. Федяев.

3.Постановка задачи математического моделирования движения газа в подработанном горном массиве с учетом дегазационных скважин, пробуренных с поверхности.- Прогноз и предотвращение газопроявлений при подземной разработке полезных ископаемых: Сб. науч.тр./ИПКОН АН СССР.- М., 1982, C. II3-II7.

4. Пакет прикладных программ для расчета движения газа в пористой среде методом конечных элементов.- Физико-технические и технологические проблемы разработки и обогащения твердых полезных ископаемых: Сб.науч.тр./ИПКОН АН СССР.- М., 1982, с.54−59.

5.Расчет движения газа в подработанном горном массиве методом конечных элементов, — Физико-технические и технологические проблемы разработки твердых полезных ископаемых: Сб.науч.тр./ /ИПКОН АН СССР.- М., 1983, с.45−49.

6. А.б. I0II856 (СССР) Способ дегазации подработанного угольного пласта.- Опубл. в Б.И., 1983, № 14.

Соавторы: А. Т. Айруни, М. А. Иофис, А. В. Шестопалов.