Разработка технических предложений по повышению безопасности ведения горных работ на угольных пластах, склонных к газодинамическим явлениям

Развитие угольной промышленности за последние годы сопровождается существенным усложнением условий труда. Снижение риска технологических аварий, предупреждение травматизма и создание комфортных и безопасных условий труда заняли определяющее положение в технологии добычи угля [1–4].

Угольные шахты Карагандинского бассейна относятся к высокометаноносным и опасным по выбросам угля и газа.

За время работы с 1997 по 2021 год по причине высокой загазованности угольных пластов на контрактной территории в шахтах погибло и получило травмы 130 человек. В Казахстане на шахтах УД АО «АрселорМиттал Темиртау» погибли и получили травмы 130 человек из-за газодинамических явлений с выделением метана и выбросом горной массы.

Экономические последствия на ликвидацию аварий по внезапным выбросам угля и газа по шахтам: «Казахстанская» – 240 тыс. $ (2012 год); им. Кузембаева – 375 тыс. $ (2011 год); им. Кузембаева – 305 тыс. $ (2010 год); «Тентекская» – 1,6 млн $ (2008 год); «Тентекская» – 650 тыс. $ (2009 год).

Угольный департамент АО «АрселорМиттал Темиртау» эксплуатирует 8 угледобывающих шахт (предприятий) в пределах Карагандинского бассейна с общим объемом добычи около 9 млн т/год.

Основным сдерживающим фактором повышения объемов добычи угля является высокая газоносность и в то же время низкая газопроницаемость угольных пластов.

Газоносность угольных пластов достигает 20–25 м³/т при проницаемости углей ниже 10^-2 мД; пористости 2–5%, при этом 85–90% метана находится в связанном состоянии. Все шахты являются угрожаемыми по опасности внезапного выброса угля и газа, которые происходят в Караганде с 1959 г. В пределах месторождения официально зарегистрировано 60 внезапных выбросов газа и угля. Также произошло более 80 газодинамических явлений, в т. ч. внезапные прорывы газа из почвы пластов.

Одними из основных направлений развития технологии горных работ на угольных шахтах являются: снижение затрат на их реализацию; сокращение времени дегазации пластов в условиях действующих горизонтов шахт; заблаговременная дегазационная подготовка и предотвращение внезапных выбросов угля и газа; совершенствование технологии воздействия.

Увеличение объема добычи угля на шахтах угольного департамента АО «АрселорМиттал Темиртау» связано со снижением газоносности угольных пластов с 18,7 до 12–13 м³/т, повышением эффективной дегазации шахт с 20 до 40%; внедрение новых технологий снижения газоносности угольных пластов и предупреждения внезапных выбросов угля и газа. При этом существуют ограничения: по высокой газоносности и низкой газопроницаемости угольных пластов; повышенной степени выбросоопасности угольных пластов и низкой эффективности дегазации угольных пластов с необходимостью более длительного срока дегазации (до 1 года); ограничение нагрузки на очистной забой и проведение горных выработок по газовому фактору.

Рабочие пласты на ряде ныне действующих шахт Карагандинского бассейна являются нарушенными, газообильными, и большая часть их отнесена к склонным к внезапным выбросам угля и газа.

В настоящее время на шахтах бассейна производится отработка угольных пластов карагандинской, долинской и тентекской свит на глубине 500–700 м и более, природная газоносность которых достигает 17–19 м³/т.

Безопасность ведения горных работ связана с предотвращением внезапных выбросов угля и газа и обеспечением рентабельности шахт.

С углублением горных работ, с повышением горного и газового давления газодинамическая активность угольных пластов возрастает, увеличивается интенсивность газодинамических явлений. Основополагающий фактор выбросоопасности угольных пластов представляется в виде измеряемых величин: горное давление, давление содержащегося в угле газа, физико-механические и физико-химические свойства угля и условие образования выбросоопасной ситуации может возникнуть в том случае, когда все параметры одновременно принимают опасные значения.

Внезапные выбросы угля и газа происходили преимущественно при проведении подготовительных выработок по мощным угольным пластам (к₁₂, к₁₀, к₇, д₆). При вскрытии пластов произошло 10 выбросов угля и газа, причем как на мощных (к₁₂, к₁₀, д₆), так и на маломощных пластах (к₁₈, к₇, д₁-д₂). В очистных выработках внезапные выбросы угля и газа не наблюдались. Минимальная глубина, на которой зафиксированы выбросы, составляет на Промышленном участке 356 м от поверхности, на Саранском участке – 200 м, в Шерубай-Нуринском районе – 300 м, в Тентекском районе – 320 м. Наибольшее число внезапных выбросов произошло на пласте д₆.

Анализ по изучению закономерности распределения внезапных выбросов по глубине позволил сделать следующие выводы:

– степень метаморфизма и природная газоносность угольных пластов влияют на верхнюю границу проявления внезапных выбросов угля и газа;

– газодинамические явления проявляются с меньшей глубины в районах современных тектонических поднятий и с большей глубины в районах современных тектонических опусканий земной поверхности;

– минимальная глубина проявления внезапных выбросов определяется тектоническим строением угольных месторождений, и чем сложнее строение, тем с меньшей глубины начинают проявляться внезапные выбросы.

Практически все внезапные выбросы угля и газа приурочены к геологическим нарушениям, при этом одни исследователи рассматривают эти участки как зоны аномально низких прочностных свойств угля, другие – как зоны изменения газофильтрационных свойств и параметров газоносности, третьи – как зоны повышенных тектонических напряжений в нетронутом массиве пород.

В зависимости от источников газовыделения различают следующие способы снижения газообильности очистных и подготовительных выработок: предварительная дегазация разрабатываемых угольных пластов (пластовая дегазация); дегазация сближенных (смежных) угольных пластов-спутников и вмещающих пород; выработанного пространства; пласта барьерными скважинами.

Основной целью дегазации является создание безопасных условий ведения работ, заключающихся в предупреждении взрывов и вспышек метана в шахтах. Снижение газообильности способствует ликвидации простоев подготовительных выработок по причине их загазирования, а также позволяет уменьшить количество воздуха, подаваемого в забой, что улучшает климатические и санитарно-гигиенические условия труда.

К настоящему времени на отечественных и зарубежных шахтах испытаны и применяются около 20 различных методов и схем снижения газовыделения в подготовительные выработки, которые по назначению и способам исполнения можно объединить в следующие группы: дегазация при проведении основных и подготовительных выработок по породам и пластам с высокой природной газопроницаемостью и суфлярным выделением метана; дегазация при проведении подготовительных выработок по угольным пластам с обычным выделением метана, но частично разгруженным от горного давления без использования и с использованием способов интенсификации газовыделения в скважины; ограждающая дегазация и изолированный отвод метана, выделяющегося из стенок подготовительных выработок; тампонаж трещин и блокировка метана в угле за счет нагнетания в пласт различного рода жидкостей [5–8].

В условиях высокой метанообильности подготовительных выработок шахт Карагандинского бассейна большое развитие получила дегазация в период проходки. В качестве основного метода снижения газообильности горных выработок применяется бурение барьерных скважин. Если нет возможности пробурить барьерные скважины по пластам с невыдержанной гипсометрией, то в стенки подготовительной выработки бурят дегазационные шпуры длиной 10–14 м. Для удаления метана, скапливающегося в закрепном пространстве и куполах подготовительных выработок, на шахтах бассейна был испытан способ изолированного отвода метана с помощью перфорированных газоотсасывающих трубок, заводимых в закрепное пространство на глубину 1,0–1,5 м.

Кроме способов снижения метанообильности подготовительных выработок средствами дегазации, в Карагандинском бассейне проведены экспериментальные работы по обработке угольного массива коагулирующим раствором, состоящим из воды, жидкого стекла и хлористого аммония. Такой раствор закупоривает поры и уменьшает фильтрационную способность угля.

Проведенный анализ состояния дегазации при проходке подготовительных выработок в Карагандинском бассейне показал, что наиболее широкое применение нашли способы дегазации барьерными (законтурными, бортовыми, ограждающими) скважинами, буримыми непосредственно перед началом или во время проходки выработки. Вместе с тем имеющиеся данные свидетельствуют о низкой эффективности этого метода дегазации, в ряде случаев не превышающей 10%.

Основной задачей интенсификации газовыделения при проведении пластовой дегазации является искусственное повышение фильтрационной способности угля с целью увеличения дебита газа из пробуренных скважин, что должно, во-первых, сократить сроки предварительной дегазации, во-вторых, сделать возможным снижение газоносности тех пластов, которые отличаются низкой газоотдачей в пробуренные по пласту.

Все имеющиеся на сегодня методы, способы, технологии по борьбе с внезапными выбросами угля и газа включены в проекты промышленной отработки шахт (планы горных работ в соответствии с кодексом).

Разграничения пластов по выбросоопасности производится согласно приказу Угольного департамента АО «АрселорМиттал Темиртау» и Управления по государственному контролю и надзору за чрезвычайными ситуациями и промышленной безопасностью Карагандинской области от 07.03.2012/06.03.2012 г. № 104/62 «О разграничении шахтопластов по степени их выбросоопасности».

Прогноз выбросоопасности угольных пластов в месте вскрытия осуществляется перед вскрытием квершлагами и другими полевыми выработками выбросоопасных и угрожаемых шахтопластов на глубине более критической по выбросам, которая составляет 230 м (табл. 2.1 «Инструкции по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля и газа». Караганда, 1995 г.).

Вскрытие и отработка пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа, прогноз их выбросоопасности должны осуществляться в соответствии с вышеназванной «Инструкцией…», «Правилами безопасности в угольных шахтах», «Технологическими схемами разработки пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа на шахтах Карагандинского бассейна», другими нормативными документами, действующими в бассейне и отрасли.

На разрабатываемых пластах предусматривается предварительная пластовая дегазация.

Кроме вышеуказанных мероприятий по борьбе с внезапными выбросами угля и газа, настоящим проектом предусматриваются следующие технические решения по вскрытию и подготовке шахтного поля, проведению подготовительных выработок и ведению очистных работ:

– полевая подготовка шахтного поля;

– столбовая система разработки;

– рассредоточение вентиляционных потоков на шахтном поле, возможность его секционного проветривания, обособленное проветривание подготовительных забоев;

– минимально возможное число пересечений выбросоопасных пластов угля горными выработками.

Для безопасной разработки выбросоопасных и угрожаемых угольных пластов на шахте должны применяться следующие меры [9–12]:

– эксплуатационная и текущая разведка;

– прогноз выбросоопасности;

– опережающая разработка защитных пластов;

– способы предотвращения внезапных выбросов угля и газа, контроль их параметров и оценка эффективности;

– система разработки и технология ведения работ в очистных и подготовительных забоях, снижающие вероятность возникновения внезапных выбросов угля и газа;

– мероприятия по обеспечению безопасности работающих, отвечающие требованиям раздела 8 «Инструкции…».

На вскрытие, проведение подготовительных выработок и ведение очистных работ на выбросоопасных и угрожаемых пластах должен быть составлен комплекс мер по борьбе с внезапными выбросами угля и газа, отвечающий требованиям раздела 1.3 и приложения 4 «Инструкции…». Комплекс мер согласовывается с КарНИИПБ и КазНИМИ и утверждается для выбросоопасных пластов техническим директором Угольного департамента, а для угрожаемых – главным инженером шахты. Комплекс мер пересматривается не реже одного раза в год.

На основании комплекса мер составляют паспорта мероприятий по борьбе с внезапными выбросами угля и газа при вскрытии пластов и при проведении подготовительных выработок. Паспорта для особовыбросоопасных и выбросоопасных пластов согласовываются с КарНИИПБ и утверждаются техническим директором Угольного департамента, а паспорта для угрожаемых пластов утверждает главный инженер шахты.

При разработке комплекса мер по безопасному ведению работ на шахте необходимо предусматривать максимальное использование региональных способов предотвращения выбросов – предварительную дегазацию и увлажнение угольных пластов.

Перечень пластов (участков), где должны применяться региональные способы предотвращения внезапных выбросов, ежегодно определяет шахты совместно с КарНИИПБ при составлении комплекса мер.

Локальные способы предназначены для приведения призабойной части угольного массива в невыбросоопасное состояние, их необходимо осуществлять со стороны очистных или подготовительных забоев.

К локальным способам при проведении подготовительных выработок относятся: низконапорное увлажнение угольного массива, гидроотжим пласта, бурение опережающих скважин.

При вскрытии угольных пластов квершлагами и другими выработками в опасных зонах необходимо применять бурение дренажных скважин, возведение каркасной крепи, нагнетание воды в пласт.

Во всех случаях применения способов предотвращения внезапных выбросов угля и газа необходимо осуществлять контроль их эффективности.

При разработке незащищенных угольных пластов должны применяться следующие мероприятия по обеспечению безопасности работающих: производство взрывных работ в режиме сотрясательного взрывания; обособленное проветривание подготовительных и очистных забоев; регламентация последовательности выполнения технологических процессов и способов предотвращения внезапных выбросов угля и газа при работе в опасных зонах; организация телеметрического контроля за содержанием метана в очистных и подготовительных забоях, в том числе при сотрясательном взрывании в угольных и смешанных забоях; устройство индивидуальных и групповых пунктов жизнеобеспечения, переносных спасательных пунктов; телефонная связь; дистанционное управление машинами и механизмами.

Разработанные и применяемые способы не позволяют в полной мере управлять геомеханическими процессами для снижения вероятности проявления газодинамических явлений и уменьшения повышенных деформаций углепородного массива вокруг проводимых горных выработок, избежать образование зон с избыточным напряженно-деформированным состоянием горного массива.

Возможными направлениями совершенствования могут быть: проведение подготовительных выработок без полевой подготовки со снижением объемов бурения при выполнении противовыбросных мероприятий по сравнению с полевой подготовкой; применение буровых станков со шнековым снарядом; региональная обработка с применением вертикальных скважин с поверхности с последующим направленным бурением по угольному пласту; региональная обработка пласта д₆ с полевой выработки станком направленного бурения VLD-1000. Станки направленного бурения должны обладать привязкой в системе координат для контроля эффективности места бурения и разгрузки.

Мировой опыт подтверждает целесообразность подобного подхода. На многих газообильных шахтах США применяется дегазация с поверхности с использованием технологии гидроразрыва, а также подземная пластовая дегазация, при этом следует особо отметить, что до начала ведения горных работ из угольных пластов извлекается около 70% газа. Анализ мирового опыта дегазационных работ в высокоразвитых угледобывающих странах мира показывает, что там законодательно или нормативно реально лимитируется уровень газоносности угольного пласта (особенно выбросоопасного), при котором могут вестись горные работы по добыче угля. Например, в Австралии уже на стадии разработки концепции ведения горных работ по добыче угля, на стадии предпроектной подготовки жестко предопределяется обязательное снижение газоносности выбросоопасного угольного пласта как минимум до 8 м³/т. При этом не допускаются никакие обоснования, позволяющее обойти этот порог [13–14].

К сожалению, в РФ в настоящее время действует последнее постановление Правительства РФ № 315 от 25.04.2011 г., где, в частности, указывается следующее: «Дегазация угольного пласта обязательна, когда природная метаноносность пласта превышает 13 м³/т сухой беззольной массы и работами по вентиляции невозможно обеспечить содержание метана в исходящей струе очистной горной выработки в размере менее 1%». Т. е. при таком ограничении всегда остается возможность вести горные работы на пластах с практически любой газоносностью, что и реализуется на ряде шахт России. Значение по природной метанообильности даже в 13 м³/т не в коей мере не является сдерживающим фактором. Последствия такого подхода очевидны.

Эффективность подземной пластовой дегазации ограничивается величиной, как правило, не более 0,2.

При проведении пластовой дегазации из подземных выработок без активных воздействий на углегазоносную толщу эти затраты минимальны, но и достигаемый эффект по снижению газоносности ограничен. Существенно большие возможности в части преодоления временного и энергетического барьеров имеет технология заблаговременной дегазации угольных пластов скважинами с поверхности с гидрорасчленением (гидроразрывом) пластов и существенным повышением его проницаемости.

Можно обоснованно определять область применения всех известных технологических решений и в тех случаях, когда необходимое снижение газоносности составляет 3–4 м³/т, и более обоснованно рекомендовать к применению заблаговременную дегазационную подготовку шахтных полей к безопасной и интенсивной (ЗДП) отработке на базе гидрорасчленения угольных пластов скважинами с поверхности в той или иной модификации.

В соответствии с п. 2 статьи 153 Кодекса РК «О недрах и недропользовании» запрещается разработка месторождений угля с повышенным уровнем природной метаноносности угольных пластов без проведения необходимых мероприятий по заблаговременной дегазации, программ по вентиляции и пластовой дегазации с последующей утилизацией полученного метана, обеспечивающих снижение содержания метана в угольных пластах до установленных нормативов.

Дополнительным резервом повышения эффективности заблаговременной дегазации является применение всего комплекса работ – скважины с поверхности и подземные скважины из подготовительных выработок, пробуренные в зону искусственно повышенной трещиноватости пласта.

Высокоинтенсивная безопасная разработка газоносных угольных пластов невозможна без обеспечения глубокой дегазации разрабатываемых пластов. Заблаговременная дегазационная подготовка угольных пластов к безопасной и эффективной разработке скважинами с поверхности может обеспечивать необходимую эффективность по снижению газообильности горных выработок при применении данной технологии за 4–5 лет до начала ведения горных работ в зонах интенсивной дегазации.

Целесообразность и обоснованность применения технологии ЗДП для обеспечения безопасной отработки высокогазоносных угольных пластов в Карагандинском угольном бассейне, в частности, выброс опасного пласта д₆ шахт им. Ленина и «Казахстанская». На шахте им. Ленина съем метана в зонах ЗДП на ряде скважин составил 6–9 м³/т, а на шахте «Казахстанская» – 5–7 м³/т, что существенно больше возможных съемов при применении подземной пластовой дегазации из подготовительных выработок.

Данный способ дегазации используется для безопасной очистной выемки высокогазоносных угольных пластов.

Недостатком данной технологии заблаговременной дегазации является то, что подготовительные выработки проходятся вне зачищенных зон, т. е. имеются риски выбросоопасности вмещающих пород.

Технология позволит производить дегазационную подготовку выемочных участков в местах проведения оконтуривающих выработок в заблаговременно защищенной зоне со снижением рисков по возможным проявлениям выбросоопасности с эффективным сохранением жизней шахтеров и ускорением сроков подготовки к выемке запасов без полевых выработок.

Необходимо установить плотность и диаметр буримых скважин с поверхности с продолжением их непосредственно по подготавливаемому угольному пласту к отработке вдоль контура проводимых подготовительных выработок.

Идея предлагаемого подхода заключается в том, что повышение безопасности подземных горных работ достигается на базе совершенствования технологии добычи угольных пластов, основанной на применении компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния горного массива впереди фронта проведения горных выработок для сложных горно-геологических и горнотехнических условий эксплуатации.

Преимуществами технологии являются: обеспечение безопасности очистных и проходческих работ в горнодобывающей промышленности за счет повышения устойчивости углепородного массива, снижение затрат на проведение и поддержание выработок за счет использования техногенного напряженно-деформированного состояния массива приконтурных пород.

Реализация проекта позволит на основе применения цифрового моделирования контролировать эффективность, безопасность производства очистных и подготовительных работ.

Как показывает практика ведения горных работ на шахтах Угольного департамента АО «АрселорМитталТемиртау», значительная доля чрезвычайных ситуаций происходит при внезапных выбросах угля и газа метана при проведении горных выработок по причинам наличия пустот скопления метана в них и возникновения деформаций углепородного массива.

Предупреждение возникновения внезапных выбросов при проходке горных выработок может быть достигнуто только за счет исключения вышеприведенных негативных факторов путем создания безопасных зон заблаговременно до начала ведения горных работ.

Предлагается технология (способ) предупреждения внезапных выбросов при проходке горных выработок в заблаговременно разгруженных и дегазированных массивах (пластах) угля – рисунок 1.

Создание разгруженных и дегазированных зон в массивах (пластах) угля обеспечивается посредством заблаговременного бурения вертикальных скважин с поверхности в пласт по трассе намечаемых в последующем проходке горных выработок,

Разгрузка пласта и дегазация проводится ранее отработанными методами, применяемыми на шахтах. Учитывая то, что в большинстве угольные пласты шахт низкопроницаемые, то для увеличения дебита метана и сокращения сроков заблаговременной дегазации возможно применение гидроразрыва пласта или высоконапорное увлажнение. Устья скважин подсоединяются посредством коллектора к сборному трубопроводу до вакуум-насосной станции с последующей утилизацией газа метана.

Данная технология может быть использована при вскрытии пластов породными выработками, при этом вертикальные скважины с поверхности бурятся заблаговременно в месте вскрытия пласта с проведением дегазации.

Выводы

Разработанные и применяемые способы по борьбе с внезапными выбросами на шахтах Угольного департамента АО «АрселорМиттал Темиртау» не позволяют в полной мере управлять геомеханическими процессами для снижения вероятности проявления газодинамических явлений и уменьшения повышенных деформаций углепородного массива вокруг проводимых горных выработок, избежать образование зон с избыточным напряженно-деформированным состоянием горного массива.

Предложенная технология (способ) предупреждения внезапных выбросов при проходке горных выработок в заблаговременно разгруженных и дегазированных массивах (пластах) угля максимально обеспечит безопасность горняков, позволит провести дополнительную эксплуатационную разведку и рационально спланировать ведение горных работ.

Предложения:

1. Поручить научно-исследовательским институтам, ученым, специалистам в области дегазации провести исследования по установлению оптимальных параметров предлагаемой технологии для различных горно-геологических условий, пластов (расстояния заложения скважин, их диаметры, определения размеров безопасных зон и пр.), изучить метод цифрового моделирования напряженно-деформированного состояния горного массива впереди фронта проведения горных выработок.

2. Разработать технологические схемы применения заблаговременной дегазации пластов для предупреждения внезапных выбросов при проходке горных выработок в условиях шахт Угольного департамента АО «АрселорМиттал Темиртау».

3. Внести изменения и дополнения в действующие инструкции по предупреждению внезапных выбросов и дегазации угольных шахт, а также в проектные документы отработки шахт.

Авторы:

Калыков А.К., директор Угольного департамента АО «АрселорМиттал Темиртау», горный инженер;

Ялымов М.Р., директор департамента недропользования ТОО «НЕдра капитал Сарыарка», горный инженер;

Демин В.Ф., д.т.н., профессор кафедры «Разработка месторождения полезных ископаемых» НАО «КарТУ»

журнал «Горно-металлургическая промышленность» № 1-2 2022