Управление Ростехнадзора по Калужской области

Совершенствование нормативно-методической базы дегазации угольных шахт

Первым нормативным документом по искусственному снижению метанообильности шахт, очистных и подготовительных забоев считается Временное руководство по дегазации угольных шахт. В нем обобщены результаты научных исследований и опыт применения дегазации в Донецком, Кузнецком, Печорском и других угольных бассейнах. Временное руководство было утверждено Министерством угольной промышленности СССР (1967 г.). Документ содержал 5 глав: общие положения по дегазации угольных шахт; способы дегазации; технология дегазационных работ в угольных шахтах; техника безопасности и организация дегазационных работ; структура участка дегазации.

В общих положениях было отмечено, что под дегазацией угольных шахт понимается осуществление специальных мероприятий по каптажу метано-воздушных смесей с высоким содержанием метана и выводом газа на поверхность. При достигнутой в то время производительности очистных забоев до 500 т/сут. критерии применения дегазации отдельных выемочных участков определялись исходя из общей метанообильности выработок:

на пластах малой мощности при относительной

метанообильности участка более 25 м 3 /т и абсолютном выделении метана свыше 3,5 м 3 /мин;

на пластах средней мощности при относительной метанообильности участка более 20 м 3 /т и абсолютном выделении метана свыше 4,5 м 3 /мин;

на мощных пластах при относительной метанообильности участка более 15 м 3 /т и абсолютном выделении метана свыше 6 м 3 /мин.

Как дополнительные были приняты критерии дегазации отдельных источников метановыделения на выемочных участках. Например, дегазация разрабатываемых пластов должна была проводиться в случаях, когда количество выделяющегося из них метана составляло: на маломощных пластах — свыше 2 м 3 /мин; на пластах средней мощности — свыше 3 м 3 /мин; на мощных пластах — свыше 3,5 м 3 /мин. Близкими к таким величинам были и критерии применения дегазации сближенных пластов угля и выработанных пространств. Комбинацию способов и схем дегазации необходимо было использовать исходя из интенсивности метановыделения на выемочных участках со сложным газовым балансом: на маломощных пластах при относительной метанообильности свыше 50 м 3 /т и абсолютном метановыделении свыше 7 м 3 /мин; на пластах средней мощности — соответственно свыше 40 м 3 /т и 10 м 3 /мин; на мощных пластах — соответственно свыше 30 м 3 /т и 12 м 3 /мин.

Дегазация угольных шахт включала:

способы, схемы и параметры дегазации угольных пластов и вмещающих пород в зонах, не подвергающихся влиянию очистных работ (предварительная дегазация шахтных полей;

дегазация вмещающих пород и окружающего выработки массива угля в процессе проходки капитальных горных выработок;

дегазация при проведении выработок по угольным пластам;

каптаж суфляров природного происхождения;

дегазация разрабатываемых пластов подготовительными выработками, а также скважинами, пробуренными в оконтуренный массив угля);

способы, схемы и параметры дегазации вмещающих пород и сближенных угольных пластов с использованием эффекта частичной разгрузки от горного давления (дегазация сближенных угольных пластов скважинами, пробуренными из действующих горных выработок шахты; дегазация подрабатываемых и надрабатываемых угольных пластов при помощи газосборных выработок);

способы, схемы и параметры дегазации выработанных пространств; комбинацию способов и схем дегазации; анализ метанодобываемости и эффективности дегазации.

Описание технологии дегазационных работ в угольных шахтах включало:

требования к конструкции дегазационных скважин (выбор места заложения скважин, их герметизация и оборудование);

способы и оборудование для бурения скважин;

параметры дегазационных трубопроводов (расчет сети газопроводов, их монтаж и крепление в горных выработках);

оборудование вакуум-насосных станций (ВНС) на поверхности и в подземных выработках, устройство передвижных подземных дегазационных установок (ПДУ), выбор вакуум-насосов, контрольно-измерительную аппаратуру, защитные устройства;

контроль работы дегазационных систем и обслуживание дегазационной установки.

Раздел техники безопасности дегазационных работ включал общие требования к строительству и эксплуатации дегазационных установок, обустройству ВНС, прокладке газопроводов, сооружению дегазационных скважин.

Организация дегазационных работ на угольных шахтах содержала структуру участка дегазации и контроль параметров каптируемой смеси (формы книг контроля работы дегазационной установки, учета работы дегазационных скважин, осмотра и ремонта газопроводов).

Опыт восьмилетней апробации Временного руководства по дегазации угольных шахт (1967 г.) в основных угольных бассейнах бывш. СССР свидетельствовал о пригодности технологии ведения дегазационных горных работ, но в то же время выявил недостатки, после устранения которых разработали Руководство по дегазации угольных шахт. Оно было согласовано с Госгортехнадзором СССР (1972 г.), утверждено Министерством угольной промышленности СССР (1974 г.) и издано в 1975 г.

Основные отличия указанного документа от Временного руководства заключались в следующем:

критерий, определяющий необходимость проведения дегазации в очистных и подготовительных выработках, представлен в виде математической зависимости, в которой учитывались: метанообильность выработки и допустимое ее значение по фактору вентиляции (без применения дегазации); допустимые по правилам безопасности максимальная скорость движения воздуха в выработке, ее минимальная площадь сечения и максимальная концентрация метана в исходящей струе воздуха; коэффициент неравномерности метановыделения в лаве;

численные значения коэффициентов дегазации выработки и основных источников метановыделения также обрели математические зависимости;

приведены фактические пределы величин коэффициентов дегазации источников метановыделения при различных схемах и способах дегазации;

определение параметров предварительной дегазации разрабатываемых пластов скважинами основано на учете показателей газоотдачи угольного массива, а именно начального удельного метановыделения в скважину и темпа его снижения во времени;

установлена математическая связь между показателями начального метановыделения в подготовительные выработки и дегазационные скважины;

приведены фактические данные о показателях газоотдачи отдельных угольных пластов в дегазационные скважины в условиях шахт Донецкого, Карагандинского и Печорского бассейнов;

изложены основные положения способов искусственного воздействия на угольные пласты через скважины, пробуренные из горных выработок или с дневной поверхности;

приведен частный пример расчета параметров дегазации угольных пластов скважинами при очистной выемке угля; отдельным разделом выделена Инструкция по безопасному ведению дегазационных работ на шахтах.

Следующим шагом в развитии нормативно-методической базы дегазации шахт стала разработка в 1990 г. новой версии Руководства по дегазации угольных шахт, в котором было учтено достигнутое к этому времени технологическое развитие подземного способа добычи угля. Оно было согласовано Госстроем СССР, утверждено Госгортехнадзором СССР и Министерством угольной промышленности СССР (1990 г.). В этой версии Руководства было скорректировано содержание условия осуществления дегазации на выемочных участках, в основу которого положены расход воздуха, подаваемого на выемочный участок, и норма содержания метана в соответствии с правилами безопасности. Для дегазации разрабатываемых пластов рекомендованы новые схемы с использованием перекрещивающихся скважин, обуривающих пласт на выемочном участке (схемы прошли апробацию на шахтах Карагандинского и Донецкого бассейнов).

Скорректирован метод расчета параметров дегазации сближенных пластов угля скважинами с учетом скорости подвигания очистного забоя и расстояния по нормали между разрабатываемым и сближенными угольными пластами.

В качестве вспомогательного документа к Руководству по дегазации угольных шахт (1990 г.) для работников организаций, занимающихся разработкой, проектированием и эксплуатацией систем дегазации угольных шахт, было издано справочное пособие «Оборудование для систем дегазации шахт» («Уголь-Фонд», М., 2000), в котором содержалась информация об оборудовании ВНС, контрольно-измерительной и защитной аппаратуре, дегазационных трубопроводах и оборудовании для бурения дегазационных скважин, апробированном при создании к тому времени шахтных дегазационных систем.

Реструктуризация угольной отрасли России, начатая в 1993 г., привела к закрытию 188 нерентабельных шахт, в том числе 30 — с дегазацией. Оставшиеся действующие шахты стали оснащать современной угледобывающей техникой, обеспечивающей добычу угля до 20 и даже 25 тыс. т/сут. Однако такая производительность не достигается в высокометанообильных шахтах, поскольку газовый фактор ограничивает возможности современной техники, используемой в очистных забоях, если не применять методы управления метановыделением современными средствами вентиляции и дегазации. Такие методы представлены достаточно полно в монографиях, научно-технических статьях и патентах на изобретения.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных ИПКОН РАН и другими научными организациями в последние годы, явились научно-методической базой нового документа — Методические рекомендации о порядке дегазации угольных шахт (РД-15-09—2006), введенного в действие с 1 марта 2007 г. приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 24 августа 2006 г. № 797. Методические рекомендации изданы ОАО «НТЦ «Промышленная безопасность» в 2007 г. В них установлен научно обоснованный нижний предел метаноносности, при котором необходимо проводить предварительную дегазацию разрабатываемых пластов угля скважинами, пробуренными из горных выработок выемочного участка до начала очистных работ. Параметры дегазации пластов угля рассчитываются с учетом таких факторов, как метаноносность угольного массива, зависящая от глубины залегания угольных пластов, их мощность, выход летучих веществ, численные значения показателей газоотдачи пласта угля в скважины, коэффициент крепости угля по шкале проф. М.М. Протодьяконова и относительная метанообильность, обусловленная выделением метана из разрабатываемого пласта в соответствии с Руководством по проектированию вентиляции угольных шахт (1989 г.).

В РД-15-09—2006 приведен графический метод определения параметров дегазационных скважин, буримых на сближенные пласты угля или над куполом обрушения пород кровли. Дана номограмма для прогноза показателей дегазации сближенных пластов угля и выработанного пространства скважинами, пробуренными с дневной поверхности, в которой учитывается вынимаемая мощность разрабатываемого пласта и суммарная мощность сближенных пластов, попадающих в зону разгрузки пород кровли вследствие разгрузочного влияния очистных работ. По метановыделению и другим исходным данным определяются коэффициент дегазации способа, метанодобываемость и концентрация метана в каптируемой смеси, извлекаемой наземными вертикальными скважинами. В РД-15-09—2006 приведена также номограмма определения расхода газа, извлекаемого шахтной дегазационной системой, при фактических диаметрах трубопроводов и внутреннего отверстия измерительного устройства, перепаде давления на диафрагме, концентрации метана в каптируемой смеси и ее температуре. Даны технические характеристики отечественных и зарубежных устройств для измерения параметров извлекаемых при дегазации газовоздушных смесей, приведены принципиальные схемы ВНС станций и технологиче-ские схемы утилизации каптируемых метановоздушных смесей.

Катастрофические аварии по фактору взрывов метанопылевоздушных смесей, происшедшие в первом десятилетии XXI в. на шахтах Кузбасса (шахты «Тайжина», «Есаульская», «Ульяновская», «Юбилейная», «Распадская» и др.), свидетельствуют о том, что, по-видимому, целесообразно усилить статус документа, регламентирующего проведение дегазационных работ, и следует ввести новый нормативный документ в виде Инструкции по дегазации угольных шахт (далее — Инструкция). Проект такой инструкции разработан УРАН ИПКОН РАН и НЦ ВостНИИ при участии специалистов других организаций. В основу Инструкции вошли положения, изложенные в РД-15-09—2006 после их корректировки, выполненной в соответствии с требованиями применительно к такого рода нормативным документам.

Ключевые положения проекта Инструкции:

обязательное обоснование нижнего предела метаноносности разрабатываемого пласта, при превышении которой необходимо проводить предварительную дегазацию угольного массива;

определение экспериментальным путем или на основе прогноза показателей газоотдачи разрабатываемых угольных пластов в дегазационные скважины на выемочных участках, т.е. следует выявлять численные значения начального удельного метановыделения в скважины предварительной дегазации пласта и темпа снижения метановыделения во времени;

обоснование расстояния между скважинами предварительной дегазации разрабатываемых пластов угля с учетом показателей газоотдачи угольного массива в дегазационные скважины и возможной продолжительности работы скважин;

относительное метановыделение из разрабатываемого пласта в выработки очистного участка при расчете расстояния между пластовыми скважинами принимается в соответствии с рекомендациями (прогнозом) Руководства по проектированию вентиляции угольных шахт (1989 г.);

необходимость выполнения мероприятий по предварительной дегазации разрабатываемых пластов угля на конкретных выемочных участках шахтного поля устанавливается с учетом величины нижнего предела метаноносности пласта, показателей газоотдачи неразгруженного угольного массива в дегазационные скважины и срока дегазации пласта, определяемого темпами подготовки участка пласта и его отработки.

Вопросы технологии и безопасности ведения дегазационных работ на шахтах, схемы и параметры дегазации при проведении выработок, способы дегазации сближенных пластов угля и выработанных пространств в проекте Инструкции в основном соответствуют положениям РД-15-09—2006.

Актуален дискуссионный в настоящее время вопрос о нижнем пределе метаноносности угольного пласта, при превышении которого следует принимать решение о необходимости предварительной дегазации пласта на высокопроизводительных выемочных участках. Согласно РД-15-09—2006 это должна быть научно обоснованная величина либо принятая равной 13 м 3 /т с.б.м., но не установленная в приказном порядке, например административным распоряжением, либо в размере 9 м 3 /т вне зависимости от горно-геологических, горнотехнических условий разработки и технических показателей производительности очистных забоев.

Научно обоснованная позиция академической науки по этому вопросу опубликована в научно-технических статьях. Упомянутый нижний предел метаноносности 9 м 3 /т как критериальная величина необходимости предварительной дегазации разрабатываемых пластов угля не может рассматриваться в отрыве от природной метаноносности пласта, показателей газоотдачи угольного массива в дегазационные скважины и возможного срока предварительной дегазации массива угля на конкретном выемочном участке.

В практическом плане мероприятия по предварительной дегазации как ключевого технологического процесса при разработке газоносных угольных пластов в соответствии с проектом Инструкции должны базироваться на следующих результатах:

обобщении исходных данных о горно-технических условиях, производительности очистного забоя и допустимом по вентиляции метановыделении из разрабатываемого пласта;

состоянии дегазационной системы шахты и выемочного участка, отрабатываемого с дегазацией разрабатываемого и сближенных пластов угля;

зависимости метаноносности угольных пластов от глубины их залегания, установленной по материалам определения газоносности угольных пластов при геологоразведочных работах;

зависимости интенсивности метановыделения в призабойном пространстве лавы от среднесуточной добычи угля по фактическим данным лавы-аналога;

научно обоснованной величине нижнего предела метаноносности пласта, разрабатываемого с помощью скважинной дегазации;

показателях газоотдачи угольного массива в дегазационные скважины на выемочном участке, установленных по фактическим данным или прогнозу;

оценках суммарного удельного метановыделения из разрабатываемых пластов угля в дегазационные скважины за нормативное время их функционирования.

Исходными для составления проекта Инструкции стали результаты исследования зависимости метаноносности угольных пластов от глубины залегания и характерные особенности темпа ее нарастания в условиях различных шахт Кузнецкого, Печорского и Карагандинского бассейнов, освещенные в монографиях, а также выявленные зависимости процесса метановыделения в призабойном пространстве лавы и интенсивности выделения метана от объемов среднесуточной добычи угля, в том числе с учетом отбитого в забое угля в формировании интенсивности метановыделения при работе комбайна — в работах и статьях. Для практической реализации разработок использованы фактические данные и зависимости удельного метановыделения из разрабатываемых пластов угля в дегазационные скважины, что отражено в методических пособиях и нормативных документах.

А.Д. Рубан, проф.,
д-р техн. наук,чл.-кор. РАН, зам. Директора УРАН ИПКОН РАН
В.С. Забурдяев,
д-р техн. наук,вед. науч. Сотр. УРАН ИПКОН РАН
В.Б. Артемьев,
д-р техн. наук, зам. ген. Директора (ОАО «СУЭК»)
С.Н. Подображин,
канд. техн. наук,зам. нач. отдела (Ростехнадзор)