книги из ГПНТБ / Морев, А. М. Дегазация угольных шахт и использование метана

оп ы т

II Р О М Ы III Л Е II II О С т И Д О Н Б А С С А

ДЕГАЗАЦИЯ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

МЕТАНА

г гг ■; у

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МАКЕЕВСКИЙ ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО БЕЗОПАСНОСТИ РАБОТ В ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ МакНИИ

ДЕГАЗАЦИЯ

УГОЛЬНЫХ ШАХТ

И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

МЕТАНА

ИЗДАТЕЛЬСТВО «ДОНВАС» ДОНЕЦК • 1974

6П1.4 М79

f#0. публичная д«учн« - тѳхнн ,э пая библиотек» ccef*

4 ? 1 ЭКЗЕМПЛЯР

Морев А. M. и Сахаров Н. М.

бот в горной пром-сти МакНИИ. Опыт пром-сти Донбасса). Бпблі,.

огр.: с. 108 (30 назв.).

Авт. указаны в вып. данных.

В книге приведены сведения о применяемых на угольных шахтах способах дегазации и их эффективности, показаны возможные направления использо­ вания извлекаемой метано-воздушной смеси, дана оценка экономической эф­ фективности дегазационных мероприятий и утилизации газа.

Книга рассчитана на инженерно-технических работников угольной промьщ.

©Макеевский научно-исследовательский институт безопасности работ в горной промышленности, 1974.

ВВЕДЕНИЕ

При разработке газоносных угольных пластов произ­ водительность очистных забоев ограничивается из-за обильного выделения метана в горные выработки. Для доведения его концентрации в вентиляционных струях до уровня, удовлетворяющего требованиям безопасности, устанавливаются мощные вентиляторы, проводятся и поддерживаются капитальные выработки большого се­ чения. Но и эти меры не всегда приводят к желаемым ре­ зультатам.

Газообильность отдельных шахт превышает 100 м31т угля. Обеспечение безопасных условий труда шахтеров и увеличение производственной мощности на таких шах­ тах становятся невозможными без искусственных спосо­ бов снижения газовыделения в горные выработки. Во многих угольных бассейнах все шире начинают исполь­ зовать дегазацию разрабатываемых угольных пластов, их спутников и выработанного пространства. Особенно бурно развиваются дегазационные работы в последние годы. Если в 1957 г. дегазация применялась на 139 шах­ тах 9 стран, то в настоящее время — на 520 шахтах 14 стран (СССР, Чехословакия, Польша, Венгрия, КНР, Англия, Бельгия, ФРГ, Австрия, Франция, Голлан­ дия, США, Япония и Канада). Только в СССР различные способы дегазации находят промышленное применение на 156 шахтах и планируется дальнейшее ее внедрение на таком же количестве предприятий.

На ряде шахт весьма успешно используют газ, извле­ каемый дегазационными установками. В то же время в литературе совершенно не освещены вопросы проектиро­ вания использования газа, защиты дегазационных си­ стем от возможных аварий при подаче газа потребите­ лям, не приведены сведения о применяемой аппаратуре,

3

Г Л А В А I. ИЗВЛЕЧЕНИЕ МЕТАНА ПРИ РАЗРАБОТКЕ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Общие сведения о выделении метана в горные выработки

Увеличение глубины разработки угольных пластов и интенсификация процессов выемки приводят к значи­ тельному росту метановыделения в горные выработки. В

СССР, начиная с 1950 г., число сверхкатегорных шахт возросло со 172 до 349 в 1972 г. (табл. 1). Удельный вес этих шахт по Украинскому Донбассу увеличился с 37,5 до 56%, а средняя относительная газообильность выра­

В настоящее время не редки случаи, когда относи­ тельная метанообильность выработок выемочных участ­ ков достигает 100— 130 м31тсуточной добычи.

По подсчетам на одной из шахт Англии ежесуточно с вентиляционной струей выносится из шахты 78 г метана,

5

нарастает оно на шахтах Карагандинского бассейна, где горно-геологпческне условия позволяют широко приме­ нять высокопроизводительные добычные механизмы и обеспечивать большую концентрацию горных работ. В то же время там не вынимают значительное количество пластов с зольностью более 40%, которые по отношению к вынимаемым являются смежными пластами-спутника­ ми, отдающими газ после подработки пли надработки. Пласты разрабатывают с большими потерями по мощ­ ности и в целиках. Все это способствует тому, что около 80% шахт Карагандинского бассейна отнесены к сверхкатегорным по газу. Общий дебит метана из всех дей­ ствующих шахт этого бассейна превышает 1,5 млн. мЧсут, а по отдельным шахтам абсолютное газовыделенне до­ стигает 150 тыс. мЧсут. Максимальная газообильность шахт равна 40—45 м31тсуточной добычи.

В настоящее время вентиляционная техника достиг­ ла высокого развития н позволяет подавать в шахты значительное количество воздуха. Несмотря на это, борь­ ба с газом, выделяющимся в горные выработки, методом проветривания во многих случаях не дает желаемых ре­ зультатов. Поэтому высокая газообильность в значитель­ ной степени ограничивает производительность очистных забоев.

Известно, что допустимая нагрузка на лавы, обору­ дованные высокопроизводительными добычными комп­ лексами, определяется величиной газовыделення.

где V — допустимая скорость движения воздуха по ла­ ве, м/сек;

S — сечение призабойного пространства, м2;

d— допустимая концентрация метана, проц.;

Ки — коэффициент машинного времени;

К — коэффициент, характеризующий естественную дегазацию пласта;

дл — относительная газообильность лавы, мЧт,

где <?пл— относительная метанообнльность, обусловлен­ ная метановыделеннем из вырабатываемого пласта в призабойное пространство лавы и в штрек, проветриваемый последовательно, м31т; <7в.п — относительная метанообнльность выработан-

нюго пространства, м31т; С — коэффициент, учитывающий долю метановы-

делення из выработанного пространства в ла­ ву. Если воздушная струя в верхней части лавы прижимается к очистному забою, то ко­ эффициент С = 1 . В остальных случаях С— 0,2.

Так как газообильность лавы находится в зависимос­ ти от природной газоносности угольных пластов, то и производительность выемочных машин также опреде­ ляется природной газоносностью угля. По данным ИГД им. А. А. Скочинского, добыча 1 т/мин на пласте мощ­ ностью 1 м может быть достигнута, если газовыделение из выработанного пространства будет равно нулю, а га­ зоносность разрабатываемого пласта не будет превы­ шать 10 м31т [2].

Расчеты в значительной степени подтверждаются фактическими данными. Об этом свидетельствуют полу­ ченные результаты наблюдений за газовыделением при работе высокопроизводительных комплексов. В период их интенсивной работы резко увеличивается газовыделе­ ние из добываемого угля. В связи с этим во многих слу­ чаях нагрузка на лавы ограничена по газовому факту. Так, на 35 шахтах III категории и сверхкатегорных в Донбассе в 1969 г. имелось 70 лав, производительность которых была ограничена повышенным содержанием ме­ тана в исходящих струях, хотя в 22 из них скорость воз­ душной струи в рабочем пространстве была выше 4 місек. В 1969 г. на шахтах западных бассейнов страны насчитывалось 52 лавы, добывающие свыше 1000 тісут, причем половина из них работала на шахтах негазовых и I категории.

Угольные пласты на шахтах СССР, особенно в Дон­ бассе, разрабатывают на больших глубинах. Так, в До­ нецко-Макеевском районе 30 шахт, пли 25% от общего числа, имеют глубину разработки 500—800 м. Свыше 36 млн. тугля в год, или более 70%, добывают в шахтах,

7

сверхкатегорных по газу. Абсолютное выделение метана

стигает 10—20% от калорийности добываемого угля. Основной источник метановыделения в шахтах — раз­

рабатываемые угольные пласты, смежные с ними подра­ батываемые или надрабатываемые пласты-спутники и вмещающие породы.

Метановыделение из разрабатываемых до глубины 800—900 м пластов, как правило, даже с учетом его не­ равномерности, не превышает 35 м31т, а из спутников оно может быть в 2—3 раза больше. По этой причине газо­ обильность выработок некоторых шахт достигает

100 м31т.

Происхождение метана в угольных пластах связы­ вают с процессом медленного разложения растительных остатков в эпоху углеобразования. Вначале при опреде­ ленных условиях образовался торф. Под действием текто­ нических процессов и гравитационных сил, сопровождав­ шихся повышением горного давления и температуры, торф постепенно превращался в битуминозный уголь, становившийся по мере превращения все более тощим. Весь этот процесс длился сотни миллионов лет и сопро­ вождался выделением в основном метана, углекислого газа и водорода. Углекислый газ легко растворяется в воде, и поэтому он уносился из угольных отложений. Считается, что скорость диффузии водорода почти в три раза больше, чем метана. Так как метан плохо раство­ ряется в воде и имеет сравнительно низкую диффузион­ ную способность, то он в значительных количествах со­ хранился в угольных пластах. Многие специалисты по­ лагают, что первоначальное количество метана могло со­ ставлять 100—200 м3/т угля [3].

Существуют различные взгляды на природу нахожде­ ния метана в угольных пластах. Наиболее признанной считается гипотеза адсорбционной связи газа с углем. Она основана на том, что уголь — пористое тело с боль­ шим объемом пустот в виде бесчисленного количества микроскопических пор и трещин. Суммарная пористость угля достигает 12— 13-%, а внутренняя поверхность пор в 1 г угля в среднем составляет 200 м2 [3, 4]. Такая по­ верхность обусловливает в основном нахождение моле­ кул метана в адсорбированном состоянии. Считается, что только около 10% газа заполняют относительно крупные

8

поры и трещины. Сорбционная способность угля приіпрочих равных условиях зависит от давления газа и темпе­ ратуры. С повышением давления и снижением темпера­ туры количество адсорбируемого углем газа возрастает. При этом при повышении давления газа адсорбция вна­ чале увеличивается пропорционально давлению, а затем в значительно меньшей степени. Явление адсорбции об­ ратимо. При снижении давления рудничный газ, погло­ щенный углем, вновь переходит в свободное состояние.

Количество сорбированного метана определяется по формуле Ленгмюра

П— пористость угля, иі3/т;

К— коэффициент сжимаемости метана.

Таким образом, суммарное количество метана в угле определяется выражением

При решении вопросов прогноза и управления метановыделением в угольных шахтах различают метаноем­ кость и газоносность угля. Под метаноемкостью (газоемкостыо) понимается количество газа, которое может со­ держаться в угле при заданных температурах и давле­ нии. Обычно метаноемкость в зависимости от давления газа определяют лабораторным путем при постоянной температуре. Графические изображения этих зависи­ мостей называются изотермами метаноемкости или изо­

9