РУКОВОДСТВО

по дегазации угольных шахт

V тверждено

Министерством угольной промышленности СССР

17 июня 1974 г.

РУКОВОДСТВО по дегазации угольных шахт

МОСКВА «НЕДРА» 1975

Параметры дегазации разрабатываемых и сближенных пластов должны определяться исходя из требуемого уровня снижения метанообильности лав и участков. Методы расчета параметров приведены в соответствующих разделах Руководства. В расчеты следует вводить требуемый коэффициент эффективности дегазации [формула (1.2)], который не должен превышать максимального значения, характерного для каждого способа (см. табл. 1.1).

1.5. При выборе схем подготовки и систем разработки для достижения максимальной эффективности дегазации газоносных пластов следует руководствоваться следующими положениями:

а)    Отдавать предпочтение столбовой и комбинированной системам разработки, обеспечивающим наиболее благоприятные условия для дегазации разрабатываемых угольных пластов.

б)    Не предусматривать проведения просека впереди очистного забоя в связи с уменьшением срока службы дегазационных скважин, особенно в зоне влияния очистных работ. Не рекомендуется также в случае дегазации разрабатываемого пласта проведение штреков широким ходом, так как при этом затрудняются процесс бурения и герметизации скважин в бутовой полосе.

в)    На пластах, не склонных к самовозгоранию, применять системы разработки с поддержанием выработки (на всю длину столба или на 40—60 м от очистного забоя), из которой бурятся скважины, так как в этом случае создаются благоприятные условия для достижения максимально возможной эффективности дегазации сближенных пластов.

Повышение эффективности дегазации при столбовой системе разработки может быть достигнуто также в том случае, если подготовительная выработка очередного выемочного поля, прилегающая к выемочному полю действующей лавы, будет проведена заблаговременно. Дегазационные скважины пробуривают на сближенные пласты из этой выработки до подхода лавы.

г)    Дегазацию выработанного пространства производить в случаях близкого расположения пропластков угля, попадающих в зону беспорядочного обрушения, недостаточной эффективности дегазации сближенных пластов и при выемке пластов с потерями по мощности.

10

При дегазации выработанного пространства с помощью центральной дегазационной установки необходимо предусматривать меры по охране устьев скважины или всасывающих патрубков газопровода. Для этого в месте расположения устья скважины или патрубков газопровода рекомендуется выкладывать костровую крепь и оставлять при погашении выработки три-четыре комплекта крепи.

Для повышения эффективности дегазации выработанного пространства при сплошной системе разработки рекомендуется применять вспенивающиеся пластические материалы, изолирующие выработанное пространство от горных выработок.

В тех случаях, когда газовоздушная смесь, отводимая из выработанного пространства, поступает в вентиляционную выработку, в схеме подготовки выемочного участка должно предусматриваться наличие выработки для подачи свежего воздуха, необходимого для разбавления отводимого метана до допустимой концентрации.

2. СПОСОБЫ ДЕГАЗАЦИИ НЕРАЗГРУЖЕННЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ И ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД

Дегазация при проведении капитальных и подготовительных выработок

2.1.    Дегазацию вмещающих пород и окружающего выработки массива угля в процессе проведения капитальных горных выработок необходимо применять при метановыделении из выработки 3 м³/мин и более.

2.2.    При проходке вертикальных выработок (стволов, гезенков, шурфов) дегазационные скважины длиной 30—100 м и диаметром 80—100 мм бурятся с поверхности или из специальных буровых камер, устраиваемых по сторонам проходимой выработки (рис. 2.1). Защищенная зона при этом на 7—8 м превышает диаметр ствола. Метаноносный угольный пласт или слой газосодержащей породы должен перебуриваться на полную мощность.

При подходе забоя горизонтальной выработки (квершлага) к слою газосодержащей трещиноватой породы или к метаноносному угольному пласту дегазационные скважины диаметром 80—100 мм бурятся через газо-

11

a    A-А    $    A-А

Рис 2.1. Схема дегазации газоносного массива при проходке вертикальных выработок: а — скважины бурятся с поверхности;. 6 — скважины бурятся из специальных камер

содержащий породный слой (пласт угля) до полного его пересечения из камер, проходимых в 3—5 м по нормали от этого слоя (рис. 2.2). Число скважин 5—10. Направление бурения выбирается с расчетом, чтобы скважины пересекли газоносные породы по окружности диаметром не менее полутора и не более трех диаметров проводимой выработки.

Скважины обсаживаются на глубину не менее 2— 2,5 м и подсоединяются к газопроводу. Отсос газа должен производиться под разрежением 100—200 мм рт. ст.

2.3. Вскрытие пластов, опасных по выбросам угля и газа, производится аналогичным образом с обязательным бурением контрольных скважин для замера газового давления.

12

Число и расположение контрольных скважин выбирается в соответствии с требованиями действующих ПБ.

Дегазационные скважины диаметром 80—250 мм бурятся из забоя так, чтобы они выходили за контур будущей расширенной выработки на 4 м. Число скважин 8—10. Дегазация вскрываемого пласта продолжается до тех пор, пока давление метана в контрольных скважинах не снизится до 10 кгс/см².

2.4. При проведении полевых выработок вблизи метаноносных угольных пластов и пород дегазационные скважины располагаются по схеме, приведенной на рис. 2.3.

При наличии геологического нарушения на расстоянии 30—40 м от него из буровой ниши бурится скважина диаметром 100 мм. Бурение производится через сальниковый уплотнитель, имеющий трубу для отвода газа и патрубок для манометра. При давлении метана свыше 10 кгс/см² бурятся две-три дегазационные скважины, которые пересекают зону нарушения на расстоянии двух-трех диаметров выработки от ее будущего контура.

Дегазация трещиноватых газоносных пород должна производиться под разрежением не менее 100 мм рт. ст.

Дегазация при проведении горизонтальных и наклонных выработок по угольным пластам

2.5. Дегазация осуществляется при метановыделе-нии в выработку более 3 м³/мин.

При длине проводимых выработок до 200 м барьерные скважины бурятся на всю длину будущей выработки (рис. 2.4). Расположение их зависит от срока

Рис. 2.4. Схема дегазации газоносного угольного массива барьерными скважинами при проведении коротких выработок по углю

дегазации и положения выработки. В случае проведения выработок по мощным пластам число и расположение скважин выбираются по табл. 2.1.

При большой длине выработок на пластах тонких и средней мощности барьерные скважины бурятся из камер по обеим сторонам выработки (рис. 2.5). На пластах мощностью до 1,5 м с каждой стороны выработки на расстоянии до 1,5—2,5 м от ее стенки бурится по одной скважине. Длина скважин до 200 м, диаметр 50—100 мм.

При проведении парных выработок по высокометано-носным угольным пластам барьерные скважины следует бурить из каждой выработки (рис. 2.6).

Бурение барьерных скважин при проведении наклонных выработок производится аналогично бурению скважин при проведении горизонтальных выработок.

Расстояние между нишами при дегазации массива барьерными скважинами принимается на 15—20 м меньше длины скважин.

При полевой подготовке пластов дегазационные скважины бурятся из полевых выработок в зону проведения подготовительной выработки по угольному пласту.

15

Число и расположение дегазационных скважин при проведении выработок по мощным пластам

Мощность пласта, м Расположение выработки в пласте по бокам выработки Число по почве выработки скважин в кровле выработки Г всего 6—8 В верхней части пласта 4 2 6 6—8 В середине пласта 4 2 1 7 6—8 В нижней части пласта 4 — 2 6 4—6 В верхней части пласта 4 1 — 5 4—6 В середине пласта 4 1 1 6 4—6 В нижней части пласта 4 — 1 5 3—4 В середине пласта 4 — — 4

При слоевой разработке мощных пологих угольных пластов дегазация выработок верхнего слоя производится скважинами, буримыми из ниш в выработках.

Угольный массив в зоне проведения подготовительных выработок на нижерасположенном этаже дегазируется пластовыми нисходящими дегазационными скважинами, пробуренными из откаточного штрека выше-расположенного этажа. Параметры дегазации подготовительных выработок барьерными скважинами считаются правильно выбранными, если в результате дегазации метановыделение снизилось на 30—60%.

2.6. При проведении выработок по пластам с невыдержанной гипсометрией дегазация осуществляется с помощью шпуров, пробуренных в окружающий массив (рис. 2.7). Шпуры бурятся под углом до 30° к оси выработки. Забои шпуров должны находиться на расстоянии до 5—6 м от стенок выработки. Расстояние в вертикальной плоскости между устьями этих шпуров должно составлять 1,5 м, а между их забоями — 2 м. Шпуры бурятся через 10 м по длине выработки. Диаметр шпуров 42—50 мм.

Устье каждого шпура герметизируется на глубину 1,5 м механическим герметизатором, и шпуры подключаются к газопроводу (см. рис. 2.7). Величина вакуума должна составлять не менее 50 мм рт. ст. Метановыделение в подготовительные выработки в результате дегазации шпурами может быть снижено в 1,5—2 раза.

1§

Рис. 2.7. Схема расположения газодренажных шпуров

2.7. Разрежение в дегазационных скважинах следует поддерживать в пределах 100—150 мм рт. ст. В тех случаях, когда при таком разрежении эффективность дегазации недостаточна и содержание метана в отсасываемой из скважин газовой смеси высокое (не менее 50—60%), целесообразно повысить разрежение до 200—250 мм рт. ст.

В скважинах, расположенных в непосредственной близости от забоя выработки, следует поддерживать более высокое разрежение, чем в удаленных; по мере удаления скважин от забоя и падения концентрации метана в отсасываемой смеси до 30—40% его следует понижать.

При решении вопроса об отключении скважин от сети необходимо руководствоваться условием

сф Qb ~4~ ЮО - _    /о    I    \

где Сф, с — соответственно фактическая и допустимая концентрация метана в вентиляционной струе, %;

Q_B — количество воздуха, проходящее по дегазируемой выработке, м³/мин;

— суммарное метановыделение из скважин, подлежащих отключению, м³/мин,

17

Дегазация пласта подготовительными выработками

2.8. Дегазация разрабатываемых угольных пластов подготовительными выработками применяется при столбовых системах разработки и пластовой подготовке. При этом выработки выемочного участка (поля) после окончания проведения должны проветриваться обособленно или временно изолироваться. Данный способ дегазации может применяться на пластах любой мощности. Срок эффективной дегазации — 6—8 мес.

Длина подготовительных выработок определяется элементами принятой системы разработки. Продолжительность дренирования пласта выработками предопределяется календарным планом подготовки и выемки участка. Коэффициент эффективности дегазации пласта рассчитывается по формуле

п

2 ^Gt

&дег.пл =    ~    “    :    >    (2.2)

LHmy (х — Хо)

где п — число оконтуривающих выемочное поле поверхностей обнажения пласта;

Gi — количество метана, выделяющегося в каждую подготовительную выработку из поверхности обнажения пласта, м³;

Gi — ~ а_х mv_n G₀ — t_xY t_x) м³;]    (2-3)

ct\ = 1 — размерный коэффициент времени, сут°>⁵; т — мощность пласта, м;

о_п — средняя скорость проведения подготовительной выработки, м/сут;

G₀ — интенсивность начального метановыделения с плоскости обнажения пласта в подготовительную выработку, м³/(м²-сут); t₂ — полное время существования выработки, сут;

t\ — время существования выработки с момента окончания ее проведения до начала очистных работ, сут;

L — длина выемочного поля, м;

Я— высота этажа (подэтажа), м; у— объемная масса угля, т/м³;

18

метаноносноеть пласта к моменту проведения выработки, м³/т;

х₀ — остаточная метаноносноеть угля, выданного за пределы участка, м³/т.

Величина Go определяется экспериментально или по уравнению

G₀ — х (0,0004У² -(-0,16) м³/(м²-сут),    (2.4)

где V^v — выход летучих веществ на горючую массу, %.

Метановыделение из разрабатываемого пласта qn* в призабойное пространство лавы после его дегазации подготовительными выработками с эффективностью &дег. пл определяется по формуле

<7пл = (■¹ — ^дег.пл) (X — Хо) М³/Т-    (2.5)

При дегазации угольного пласта с временной изоляцией подготовительных выработок необходимо возводить в массиве угля (пород) перемычки, через которые пропускается газопровод для вывода метано-воздушной смеси из заперемыченного пространства. Глубина вруба для перемычек — не менее 1 м. Для повышения воздухонепроницаемости массив угля или пород вокруг перемычки цементируется под давлением через специально пробуренный веер шпуров.

Дегазация разрабатываемых угольных пластов скважинами, пробуренными из выработок

2.9. Дегазация разрабатываемых угольных пластов скважинами, пробуренными из подготовительных выработок, осуществляется при подготовке пласта к выемке. Этот способ дегазации применяется как при столбовых, так и при сплошных системах разработки, если имеется достаточное опережение подготовительной выработки относительно лавы.

Применение восстающих (пробуренных по восстанию пласта) скважин при сроке их функционирования до 12 мес на 20—50% эффективнее, чем нисходящих (пробуренных по падению пласта). Бурение пластовых скважин перпендикулярно направлению основной системы трещин кливажа увеличивает газоотдачу массива в скважины на 10—30% и сокращает длительность процесса дегазации.

Отсос газа пластовыми скважинами из не разгруженных от горного давления угольных пластов более эффективен при создании вакуума в скважинах. При любых способах дегазации создание вакуума в дегазационной системе является необходимой мерой, обеспечивающей перемещение газа по газопроводу.

2.10.    Основными факторами, влияющими на выбор схем дегазации, являются схемы подготовки выемочных полей, системы разработки, требуемый к. э. д. пласта, совмещение работ по бурению и эксплуатации скважин с другими технологическими операциями по подготовке и эксплуатации участков.

Предварительная дегазация разрабатываемых пластов скважинами применяется при сплошной и столбовой системах разработки с выемкой по простиранию и падению (восстанию) пластов при пластовой и полевой подготовке выемочных участков. Передовая дегазация, т. е. каптаж метана из угольного массива разрабатываемого пласта скважинами, пробуренными впереди очистного забоя в зоне разгрузки пласта, менее эффективна, чем предварительная. Однако на высокогазоносных угольных пластах с низкой газопроницаемостью передовая дегазация может обеспечить извлечение 50—80% всего дренируемого скважинами метана.

2.11.    Схемы дегазации разрабатываемых пластов скважинами из выработок делятся на две группы:

А — дегазационные скважины бурятся в плоскости пласта из пластовых подготовительных выработок по восстанию, падению, простиранию или под некоторым углом к линии простирания;

Б — дегазационные скважины бурятся из подготовительных или капитальных выработок через породную толщу вкрест простирания пласта.

Схемы дегазации группы А можно применять на пластах любой мощности и угла падения, а группы Б —преимущественно на крутых мощных пластах.

При обеих группах схем возможно параллельно-одиночное, веерное или кустовое расположение дегазационных скважин. Для схем группы А более эффективны параллельно-одиночные скважины, так как они относительно равномерно дегазируют пласт угля и могут быть использованы для нагнетания воды в пласт и ув-

20

ПРЕДИСЛОВИЕ

Увеличение добычи угля и повышение производительности труда осуществляется в настоящее время в основном за счет технического перевооружения угольных шахт и концентрации горных работ. Рост глубины разработки и нагрузки на лаву сопровождается увеличением газовыделения в выработки.

Эффективным средством снижения метанообильно-сти выработок является дегазация угольных пластов, которая находит широкое применение в угольных шахтах и является неотъемлемым технологическим процессом в добыче угля. Опыт применения дегазации подтверждает технико-экономическую эффективность этого способа борьбы с метановыделениями в выработки. Внедрение дегазации позволяет снизить метанообиль-ность выемочных участков на 60—70%, устранить простои лав из-за их загазирования, увеличить нагрузку на лаву и скорость проведения подготовительных выработок, а также повысить безопасность работ на пластах с высокой метаноносностью.

Для проектирования дегазации и эффективного ведения дегазационных работ на шахтах составлено настоящее Руководство, в котором обобщены результаты научных исследований и опыт применения проектными и производственными организациями Временного руководства по дегазации угольных шахт («Недра», 1967).

С выходом в свет настоящего Руководства прекращается действие ранее изданного Временного руковод-

3

ства по дегазации угольных шахт и раздела 6 Указаний по проектированию трубопроводов в подземных выработках угольных и сланцевых шахт (1972 г.).

Руководство разработано институтами:    ИГД    им.

А. А. Скочинского, МакНИИ, ВостНИИ, Карагандинским отделением ВостНИИ, ДонУГИ, ПечорНИИпро-ект, ВНИИОМШС, ИФЗ АН СССР им. О. Ю. Шмидта, МГИ.

Выполнение указаний настоящего Руководства обязательно для всех организаций и лиц, занимающихся проектированием, строительством и эксплуатацией дегазационных систем на угольных шахтах.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ДЕГАЗАЦИИ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

1.1.    Основными источниками метана в угольных шахтах являются разрабатываемые, подрабатываемые и надрабатываемые угольные пласты и пропластки, а также вмещающие породы. Долевое участие каждого из этих источников в формировании метанообильности выработок отражается в структуре газового баланса.

Метанообильность выработок, нагрузку на лаву и газовый баланс определяют по рекомендациям Руководства по проектированию вентиляции угольных шахт (1975 г.) и Основных направлений и норм технологического проектирования угольных шахт, разрезов и обогатительных фабрик (Центрогипрошахт, 1973 г.). В том случае, когда нагрузка на лаву, определенная по расчету, оказывается меньше планируемой, необходимо проводить мероприятия по снижению метанообильности горных выработок средствами дегазации.

Дегазация шахт — совокупность мероприятий, направленных на извлечение и улавливание метана, выделяющегося из различных источников, с изолированным отводом его на поверхность (каптаж), а также предусматривающих физическое или химическое связывание метана до поступления его в горные выработки.

1.2.    Критерием, определяющим необходимость проведения дегазации, является повышение метанообильности выработок / сверх допустимой по фактору вентиляции /_р (без дегазации), т. е.

/ > /р =V °’в^р5с м³/мин,    (1.1)

*н

где v — допустимая по ПБ максимальная скорость движения воздуха в лаве, м/с;

5 — минимальная площадь сечения лавы по паспорту крепления, свободная для прохода воздуха, м²;

§

с — допустимая по ПБ максимальная концентрация метана в исходящей струе воздуха, %; k_n — коэффициент неравномерности метановыделения в лаве.

Коэффициент эффективности дегазации (к. э. д.), при котором обеспечиваются нормальные по фактору метановыделения условия, должен быть

(1.2)

или

где Сф — фактическая концентрация метана в исходящей струе, %.

Для обеспечения нормальных условий выемки угля по факторам метановыделения и дегазации необходимо добиться того, чтобы фактический коэффициент эффективности дегазации был равен требуемому его значению, определенному по формуле (1.2), или превышал его, т. е.

К..' > К„_г.

Коэффициент эффективности дегазации лавы или участка определяется также по относительной метанообиль-ности

Кцег =     ,    (1-ЗХ

Я

где q, q^f — метанообильность выработок соответственно до дегазации и при проведении дегазации источников выделения метана, м³/т, Коэфициент эффективности дегазации источника выделения метана определяется по формуле

_и    Яг    Яi    t л    л\

&дег Л — -,    (1*4)

Я1

где я и Я1—метанообильность выработки, обусловленная выделением метана из данного источника до его дегазации и при проведении дегазации, м³/т.

При дегазации нескольких источников выделения метана коэффициент Кдег может быть представлен в ви-6

Та блица 1.1

Эффективность дегазации различных источников метановыделения

Метод воздействия на угленосную толщу	Способ дегазации	Значение коэффициента эффективности дегазации источника
Подработка толщи	Сближенные пласты Скважинами, пробуренными из вы-
	работок на сближенный пласт: при сохранении выработки.	0 1 О 00
	из которой бурятся скважины при погашении выработки.	0,2—0,5
	из которой бурятся скважины Скважинами с поверхности	0,4-0,7
	Газосборными выработками или	0,4—0,75
Надработка толщи	скважинами Скважинами, пробуренными из вы-	0,3—0,5
	работок Газосборными выработками или	0,4-0,5
Разгрузка пласта	скважинами Разрабатываемые пласты Подготовительными выработками	0,2—0,3
скважинами и	Скважинами по пласту, пробурен	0,3—0,5
выработками	ными из подготовительных выра
	боток Скважинами, пробуренными из по	0,2—0,3
Разгрузка пласта	левых выработок При проведении выработок	0,3—0,7
	Скважинами, пробуренными из	0,2—0,3
очистным забоем	очистного забоя
	Скважинами, пробуренными из под	0,2—0,3
	готовительных выработок в зоне влияния очистного забоя Скважинами, пробуренными из под	о 1 со о
Дегазация пластов	готовительных выработок вблизи очистного забоя при подработке или надработке сближенным пластом Гидравлический разрыв пласта че	0,5—0,6
в сочетании с	рез скважины, пробуренные из
гидроразрывом	выработок

7

Окончание табл. 1.1

Метод воздействия на угленосную толщу Способ дегазации Значение коэффициента эффективности дегазации источника Выработанное пространство Отсос газа из выработанного Пространства действующих участков при обратном порядке отработки с использованием: газопровода 0*2—0,3 эжекторов и вентиляторов 0,3—0,7 при прямом порядке отработки 0,2 Скважинами, пробуренными над ку 0,25—0,4 полами обрушения Скважинами, пробуренными с по 0,4—0,6 верхности Отсос газа из старых выработанных 0,3—0,6 пространств скважинами пробуренными из выработок

де суммы частных к. э. д. отдельных источников выделения метана:

^Сдег 2^Дег-н    (1*5)

1

где /Сдег. г — коэффициент эффективности дегазации источника метановыделения с учетом его доли в общем газовом балансе;

КкъгЛ ~ Щ &дег./?    (1*6)

tii — коэффициент, характеризующий долевое участие данного источника в общем метановыде-лении. Доля метановыделения из отдельного источника в общем метановыделении до дегазации рассчитывается по формуле

=    (1.7)

Я

Выбор способов дегазации следует производить на основе данных о структуре газового баланса и с учетом возможных в конкретных условиях коэффициентов эффективности дегазации. В первую очередь следует дегазировать источник, из которого выделяется наиболь-

8

шее количество метана. Конкретные значения коэффициентов эффективности дегазации для различных способов приведены в табл. 1.1 н в соответствующих разделах Руководства.

В практике дегазационных работ для оценки степени снижения метаноносности угольных пластов пользуются отношением количества извлеченного из 1 т угля метана к метаноносности пласта, называемым степенью дегазации:

/

где х и х₀—соответственно метаноносность угольного пласта до и после дегазации, м³/т. Коэффициенты &_Дег. г и связаны соотношением

Адег.£= -*5-,    (1-9)

1--^

X

где х₀ — остаточная метаноносность угля, выдаваемого из выработки, м³/т.

1.3.    Эффективность различных способов дегазации приведена в табл. 1.1.

1.4.    Относительная метанообильность лавы при дегазации определяется из выражения

Яоч = (¹ — ■Кдег) ?0Ч    м⁸/т,    (1.10)

где q₀4—относительная метанообильность лавы до дегазации.

С учетом коэффициентов эффективности дегазации разрабатываемого пласта &_дег.пл» выработанного пространства &_Дег. в. п и применяемой схемы проветривания (коэффициент &_в. п)

Я о ч “ (1    &дег.пл) Япл 4" &В.П (1 ^дег.в.п) ^в.п М³/Т, (1*1 1)

где gw <7в.п — соответственно метанообильность лавы, обусловленная метановыделением из разрабатываемого пласта и выработанного пространства, м³/т.

Остаточная метаноносность угольного пласта после его дегазации определяется по формуле

x'_Q = (1 — Ад)х М³/т.