Заблаговременная дегазация угольных пластов как фактор повышения безопасности на шахтах Кузбасса

С.C. Золотых

г. Кемерово, Российская Федерация

Горная Промышленность №5 / 2019 стр.18-22

Резюме: В статье автор рассматривает газобезопасность шахт Кузбасса в условиях интенсивной разработки угольных пластов и потенциального повышения газообильности шахт с ростом глубины отработки. Автором приведены данные по метаноносности угольных пластов и удорожанию дегазации с ростом глубины залегания пластов. Представлена статистика о динамике добычи угля, по катастрофам и распределению средних ущербов от взрывов метана на шахтах Кузбасса в XXI в. Показан опыт зарубежных стран в повышении безопасности отработки газоносных пластов. Поставлен вопрос о необходимости внедрения заблаговременной дегазации горных отводов шахт, с использованием технологий СВМ. Приведена технологическая схема заблаговременного извлечения газа из угля (до ведения горных работ в метановой зоне). Согласно этой схеме, строительство и эксплуатация шахты осуществляются недалеко от поверхности с допустимой газоносностью пластов. За 5 лет до начала строительства шахты начинается бурение скважин с поверхности с горизонтальным окончанием в пласте (технология SIS). Ведётся откачка газа в течение 5–7 лет до начала горных работ, и за это время содержание газа в пласте снижается на 70–80% от начального объема. Сделан вывод о необходимости координации работ газодобывающих и угледобывающих структур Российской Федерации, а также об использовании наработанных компетенций угольщиков и газовиков для повышения безопасности угледобычи.

Ключевые слова: газ, метан, уголь, дегазация, месторождение, шахта, газобезопасность, Кузбасс

Для цитирования: Золотых С.C. Заблаговременная дегазация угольных пластов как фактор повышения безопасности на шахтах Кузбасса. Горная промышленность. 2019;(5):18–22. DOI: 10.30686/1609-9192-2019-5-18-22.

Информация о статье

Поступила в редакцию: 27.05.2019
Одобрена рецензентами: 19.06.2019, 12.07.2019
Принята к публикации: 21.07.2019

Информация об авторах

Золотых Станислав Станиславович – доктор технических наук, г. Кемерово, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Введение

При шахтной добыче каменного угля выделение содержащегося в нем метана представляет угрозу жизни работающих под землей людей. Поэтому откачка взрывоопасной смеси воздуха и метана из системы шахт является непременным компонентом процесса добычи угля, к сожалению, не всегда гарантирующим безопасность. Откачиваемый из системы шахт метан составляет очень малую долю того количества, которое адсорбировано в углях разрабатываемого угольного месторождения, и это является одной из главных проблем, влияющих на безопасность труда шахтёров. Выделения метана в угольных шахтах (даже в условиях наличия дегазации) практически всех основных бассейнов мира неоднократно являлись причиной подземных взрывов газа, приводящих к групповому смертельному травматизму шахтёров. Метановая опасность и формы её проявления обусловлены природными, технологическими, организационными и субъективными факторами. Анализ публикаций, исследования, анализ происшедших за последние годы аварий в мире и на шахтах Кузбасса, свидетельствуют прежде всего о том, что на аварийных шахтах природные, технологические, организационные и субъективные факторы тесно взаимодействовали между собой и в комплексе «работали» на аварийную ситуацию. В тот момент, когда заложенная природой высокая метаноносность угольных пластов накладывается на технологические, инженерные ошибки с проветриванием, электроснабжением участков шахты, изоляцией выработанного пространства и т.д., при нередко встречающихся низкой трудовой и технологической дисциплине рабочих и ИТР, а порой и их недостаточной квалификации, изношенности машин и механизмов, аппаратуры и приборов контроля рудничной атмосферы, при нарушении проветривания и загазировании горных выработок, – возрастает вероятность воспламенения уже сформированной «пороховой бочки».

В Кузбассе значительное количество действующих шахт относятся к категорированным по газу. Естественно, чем выше категорийность шахты, тем выше вероятность потенциального взрыва на ней. Несомненно есть определённые технические и технологические решения по борьбе с газом на разных стадиях жизненного цикла каждой из шахт. Это в первую очередь проведение дегазации при проведении выработок, при очистных работах, газоотсос метановоздушной смеси с помощью специальных вентиляторов или вакуумных станций. Но, так или иначе, все эти работы по дегазации осуществляются, как правило, из пространства (в его контуре) уже сформированной – действующей шахты, располагающей десятками, а то и сотнями километров горных выработок, большими отработанными пространствами, подработанными и надработанными пластами угля в свите, имеющими определённую аэродинамическую и гидравлическую связь, в том числе и с действующими выработками шахты. Весь это конгломерат условий, созданных в результате техногенного воздействия на угольную толщу, на базе значительного содержания метана в среднем по шахтам Кузбасса в объёме 20 м3/тн угля, формирует очень сложную с точки зрения устойчивости систему (угольная шахта) по отношению к такому катастрофическому явлению, как формирование взрывоопасных концентраций газа в действующих горных выработках. Далее уже дело времени, когда эта гремучая смесь (5–15% газовоздушной смеси) встретится с тепловым импульсом, способным её поджечь (эндогенный, экзогенный пожары, заклинивший ролик на конвейере, грозовой разряд, наконец, человеческий фактор…) [1–4].

Газобезопасность шахт Кузбасса

В последние годы применение в кузбасских шахтах новых технологических решений и высокопроизводительной очистной техники мировых фирм, таких как ДЖОЙ и ДВТ, позволили увеличить нагрузки на очистной забой (шахту-лаву). В течение 20 лет производительность очистных забоев на шахтах кратно возросла – до 5–10 тыс. т в сутки. Особенных – рекордных – нагрузок достигли шахтёры СУЭК на ш. им. Ялевского (ш. Котинская), где из очистного забоя уже добывают более 1 млн 600 тыс. т угля в месяц! При этом суточные нагрузки на лаву достигают 45–50 тыс. т! Строятся лавы длиной по падению 400 м (лава 5003 ш. им. Ялевского). Справедливости ради следует сказать, что глубина разработки этих лав пока не превышает 300 м, т.е. для условий Ерунаковских месторождений это зона газового выветривания (Х – менее 10 м³/тн метана) и вопрос ограничения нагрузки на забой пока не такой острый, как на более глубоких шахтах. Но запасы (пласты) погружаются вглубь недр, одновременно нарастает метаноносность пластов угля (рис. 1) [5–9].

Рис. 1
Метаноносность угольных пластов в Кузбассе и удорожание дегазации с ростом глубины залегания пластов

Доля ограничения производительности очистного забоя по газовому фактору с глубиной разработки угольного пласта будет постоянно возрастать из-за объективного роста газоносности и газокинетических характеристик пласта с глубиной. В то же время при использовании в современных условиях высокопроизводительной добычной техники значительно меняется интенсивность техногенного воздействия на углегазовую среду недр, что несомненно приводит и к более интенсивному газовыделению из разрабатываемого пласта и вмещающих пород (пропластков и спутников). С увеличением глубины и ростом газосодержания сорбированного в угле метана необходимо будет применять специальные технологии дегазации разрабатываемых пластов, дабы обеспечить соответствующие применяемой добычной технике нагрузки. Естественно, издержки на дегазацию будут возрастать (см. рис. 1) синхронно. Российский и мировой опыт указывают на рост затрат на эти цели до 10% на каждые 100 м роста глубины отработки пластов. В Кузбассе шахты в среднем в год опускаются в глубину на 50–70 м. И чем дальше, тем серьёзнее будет стоять вопрос газобезопасности [10].

Эффективное извлечение угольного метана из пластов, по-видимому, станет обязательным технологическим условием применения высокопроизводительной и дорогостоящей добычной техники в шахтах Кузбасса. Известно, что сегодня основной объём извлекаемого из недр шахт метана в регионе приходится на текущие способы дегазации разгруженного массива и, как правило, из горных выработок действующего предприятия. Рано или поздно, в условиях роста глубины и увеличения нагрузок на забои возникнет и будет развиваться далее дисбаланс между ведением очистных и дегазационных работ шахты. Очевидно, что такая тенденция будет отрицательно влиять на безопасность предприятия. С 2000 г. объём добычи угля в Кузбассе вырос практически в 2 раза, в 4 раза возросла производительность труда на шахтах. Причём есть предприятия, имеющие мировые рекорды по нагрузкам на забой (ОАО «СУЭК-Кузбасс»). Вместе с тем в это же время на шахтах Кемеровской области в указанный период произошли, пожалуй, самые тяжёлые за всю историю катастрофы (взрывы газа) на шахтах. Всего в Кузбассе с начала XXI в. случилось 10 взрывов, с гибелью 367 шахтёров и горноспасателей! (рис. 2)

Рис. 2
Динамика добычи угля и катастрофы на шахтах в Кузбассе в XXI в.

Следует отметить, что угольные компании и контролирующие органы принимают максимум усилий для неповторения впредь подобных случаев. Вкладываются большие средства в приборы контроля газа, усиления объёмов дегазационных работ, оповещения шахтёров (в том числе персонально) об аварии, позиционирование каждого работника под землёй, всевозможный, (включая видео) контроль и многое другое. Всё это играет несомненно положительную роль, но вряд ли будет являться достаточным с точки зрения безопасности в будущем. Мы сейчас наблюдаем применение высокопроизводительной техники на многих шахтах, и эта тенденция в условиях конкуренции вряд ли будет снижаться. Известно, что практически все месторождения Кузбасса с глубины более 300 м являются по сути не угольными, а углегазовыми месторождениями. В последнее время формируется представление, что к добыче угля на новых площадях надо приступать после того, как в результате отбора газа из недр его содержание в угольных пластах снизится до допустимого, с точки зрения безопасности уровня.

Необходимо добавить, что выполнение требований безопасности напрямую связано с проблемой повышения эффективности добычи угля и получением экономического эффекта от улучшения использования фронта горных работ в угольных шахтах.

Одной из причин крупных аварий на шахтах являются вспышки и взрывы газовоздушной смеси. Эти аварии наносят прямой экономический и социальный ущерб государству, населению и предприятиям. По данным -ООО «Газпром Промгаз» (рис. 3), эти аварии наносят прямой экономический и социальный ущерб государству, населению, предприятиям.

Рис. 3
Диаграмма распределения средних ущербов от взрывов газа метана на шахтах 

Заблаговременная дегазация

Заблаговременная дегазация (до горных работ) могла бы стать базовым инструментом для снижения газоносности угольных пластов шахт (горизонтов), не разгруженных от горного давления, при отработке пластов в последующем.

В России отсутствует опыт проведения заблаговременной дегазации. Нет нормативной базы, регламентирующей данную технологию борьбы с газом. Хотя во многих странах имеется такой положительный опыт. Мировой опыт говорит о возможности извлечения (60–80%) сорбированного газа с концентрацией более 90% из неразгруженных угольных пластов в течение 5–7 лет. В дальнейшем отработка запасов угля может продолжиться на месторождении уже с использованием разгрузочного действия на свиту отработанного и заблаговременно дегазированного пласта (ов) с помощью набора инструментов (скважин) заблаговременной и текущей дегазации. Лидерами в области обеспечения метанобезопасности путём извлечения угольного метана из неразгруженных пластов являются угольные и газовые компании США. Опыт американских и австралийских компаний показывает преимущество заблаговременной дегазации скважинами с поверхности в сравнении с дегазацией подземными скважинами. Вместе с тем в КНР и Австралии применяются также комбинированные схемы заблаговременной и текущей дегазации с эффективностью каптирования метана до 80%. Впечатляющих успехов в дегазации шахт с применением заблаговременной дегазации достигли китайские угольные и газовые компании, значительно снизив (в 6 раз) смертность шахмодель разработки углегазовых месторождений в Китае.

Рис. 4
Модель разработки углегазовых месторождений (шахт)

Этапы разработки месторождения (1-2-3-4), обеспечивают максимальное снижение газоопасности шахт. Перед началом подготовительных работ (проходка) содержание газа снижается до Х1 и ниже, давление снижается до Р1 и ниже; началу очистной выемки, предшествует снижение газа до Х2 и ниже, а также давление снижается до Р2 и ниже.

Технологическая схема заблаговременного извлечения газа из угля (до ведения горных работ в метановой зоне шахты «В») отражена на рис. 5. Строительство и эксплуатация шахты (1-я очередь) осуществляются в зоне «А» (недалеко от поверхности с допустимой газоносностью пластов). За 5 лет до начала строительства шахты (рис. 5) в зоне «В» начинается бурение скважин с поверхности с горизонтальным окончанием в пласте (технология SIS) по простиранию. Ведётся откачка газа в течение 5–7 лет, до подхода горных работ из зоны «А» в зону «В» (увеличение глубины разработки). За это время содержание газа в пласте снижается на 70–80%.

Рис. 5
Технология совмещения работ по добыче метана и угля

Для выполнения работ по заблаговременной дегазации, конечно, необходимо наличие специализированной производственной структуры, требующее значительных первоначальных затрат, отдача от которых осуществится только через несколько лет.

Как показывает практика, успешность проектов по добыче метана из угольных пластов зависит от качественного подхода к выработке идей по увеличению скорости бурения, росту дебита скважин и снижению затрат. Наличие опытных буровых подрядчиков, собственных сервисных подразделений, а также технологически грамотного персонала, способного постоянно оптимизировать методы работы, позволит создать коммерчески рентабельное производство в течение нескольких лет. Но столь же очевидно, что их отсутствие может задержать получение результатов на десятилетия.

Изучая историю развития проектов добычи метана угольных пластов, можно сделать вывод о том, что они изначально проводились для предварительной дегазации пластов и повышения уровня безопасности работы в шахтах. Анализ информации, публикуемой в прессе в России, Казахстане и в Украине, позволяет предположить, что эти проекты позиционируются скорее как способ дегазации шахт.

Заключение

Компании, специализирующиеся на добыче метана, в будущем могут передать (продать) накопленные знания «угольным» предприятиям, для которых способ заблаговременной дегазации может оказаться выгоднее по сравнению с нынешним. Однако, это еще в перспективе только предстоит реализовать газовикам и шахтёрам.

Одним из способов решения указанных вопросов может стать более активное участие в их обсуждении государственных органов (Минэнерго, Ростехнадзор, МПР, Государственная Дума) еще на этапе технико-экономического обоснования, что позволило бы предусмотреть процедуру передачи накопленных знаний и технологий «угольным» предприятиям. Другой вариант — законодательное закрепление обязанности добывающих уголь компаний оплачивать дегазацию, проведенную описанным способом, в размере, обеспечивающем минимальную экономическую привлекательность для подрядчиков (газовиков). Несомненно ясно, что вопрос консолидации компетенций и усилий разных структур, добывающих уголь и метан как самостоятельное полезное ископаемое, давно назрел. Чем быстрее и раньше начнется этот процесс, тем более успешными станут проекты в обоих направлениях углегазового бизнеса (добычи угля и газа). И тем выше будет интерес к ним со стороны инвесторов.

Скорее всего, интенсификация и эффективность добычи газа из угольных пластов приведут к появлению новых взглядов на шахтную разработку угля, по-прежнему остающегося одним из основных источников энергии.

Следовательно, технологии, применяемые для рентабельной и безопасной отработки этих запасов угля и газа, должны соответствовать этим условиям и где-то дополняться (заменяться) приёмами и компетенциями смежной по недрам отрасли.

Выводы:

– объёмы добычи угля в Кузбассе с начала XXI в. возросли в 2 раза;

– многократно выросла нагрузка на очистной забой в шахтах;

– газоносность угольных пластов Кузбасса и затраты на дегазацию шахт растут с глубиной;

– в XXI в. в Кузбассе произошло 10 взрывов газа на шахтах;

– опыт зарубежных стран, показывает, что риск взрывов газа в шахтах можно минимизировать за счёт заблаговременной дегазации угольных пластов и совмещения работ по добыче угля с реализацией на шахтах комплекса дегазации с использованием технологий шахтной (текущей) дегазации и технологий СВМ;

– очевидна целесообразность (необходимость) заблаговременной дегазации пластов шахт, нужна соответствующая нормативная база, регламентирующая применение данной технологии;

– в Кузбассе с 2009 г. ПАО «Газпром» реализуется проект добычи метана из угольных пластов промышленными методами, наработаны компетенции в вопросах СВМ для условий Кузбасса на промыслах в Прокопьевском и Новокузнецком районах области1;

– по-видимому, назрела необходимость координации работ обеих (угольной и газовой) отраслей страны, а также консолидации знаний для возможного совместного решения вопросов газобезопасности угледобычи.

Список литературы

1. Золотых С.С. Из недр кузбасских кладовых – горючий газ метан. Кемерово: Кузбассвузиздат; 2015.

2. Золотых С.С., Карасевич А.М. Проблемы промысловой добычи метана в Кузнецком угольном бассейне. М.: ИСПИН; 2002.

3. Золотых С.С. Разработка технологической системы эффективной и безопасной отработки свит пологих газоносных угольных пластов: дис. … д-ра техн. наук. М., 2002.

4. Казанцев В.Г., Золотых С.С. Диагностика и управление состоянием массива горных пород. Кемерово: Кузбассвузиздат; 2001.

5. Малышев Ю.Н., Трубецкой К.Н., Айруни А.Т. Фундаментально-прикладные методы решения проблемы метана угольных пластов. М.: Академия горных наук; 2000.

6. Цикарев Д. А., Архипов А. Я., Голицын А. М., Богомолов А. Х., Пронина Н. В., Голицын М. В. Газоугольные бассейны России и мира. М.: Московский государственный университет им. Ломоносова; 2002.

7. Рубан А.Д., Артемьев В.Б., Забурдяев В.С., Захаров В.Н., Логинов А.К., Ютяев Е.П. Подготовка и разработка высокогазоносных угольных пластов. М.: Горная книга; 2010.

8. Черданцев А.М. Прогноз метановыделения на выемочных участках с учётом влияния геомеханических процессов. Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2017;(5):106–111. DOI: 10.26730/1999-4125-2017-5-106-110.

9. Калинин С.И., Роут Г.Н., Игнатов Ю.М., Черданцев А.М. Обоснование суточной добычи угля из лавы длиной 400 метров в условиях ш. им. Ялевского. Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2018;(5): 27–35. DOI: 10.26730/1999-4125-2018-5-27-34.

10. Пучков Л.А., Сластунов С.В. Проблемы угольного метана – мировой и отечественный опыт их решения. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2007;(4):5–24.