книги из ГПНТБ / Газообильность каменноугольных шахт

ГАЗООБИЛЬНОСТЬ

КАМЕННОУГОЛЬНЫХ

ШАХТ

Москва «НЕДРА»

1974

ВВЕДЕНИЕ

Кузнецкий каменноугольный бассейн расположен между КуЗ* нецким Алатау и Салаирским кряжем и представляет собой круп­ ный синклинорий, вытянутый с юга-востока на северо-запад. Глу­ бина залегания замковой части угленосных отложений — предпо­ ложительно не менее 5—8 км.

Основная угленосная толща относится к отложениям верхне­ карбонового и пермского возраста. Эта толща подразделяется на две серии — более древнюю балахонскую и более молодую кольчугинскую, между которыми залегает безугольная кузнецкая сви­ та. Максимальная угленосность приурочена к балахонской серии:

вПрисалаирской зоне коэффициент угленосности достигает 8—■ 11%. Наиболее мощные пласты бассейна (до 8—20 м) находятся

впределах верхнебалахонской свиты. Пласты нижнебалахонской свиты, как правило, имеют значительно меньшую мощность, лишь отдельные из них достигают 2,5—3 м. По составу балахопские угли весьма разнообразны. Мощные пласты образовались в из­ менчивых фациальных условиях и поэтому обычно сложены боль­ шим числом пачек различного петрографического типа; по макропетрографическим признакам в углях данной серии наиболее рас­ пространен полуматовый штриховато-полосчатый тип. Диапазон метаморфизма — от газовых углей в восточной части бассейна до полуантрацитов и антрацитов на крайнем юго-западе.

Всоставе отложений кольчугинской серии преобладают пласты

средней и малой мощности. Угольное вещество большей частью однородное: угли по макропетрографическим признакам — блестя­ щие и полублестящие, содержащие 70—80% и более витринита. Кольчугинские угли менее метаморфизированы, чем балахопские: угли нижней части разреза Беловского и Осиновского районов относятся к жирным, остальные — в основном газовые и длинно­ пламенные.

Высокая угленосность разрезов балахонской и кольчугинской серий обусловливает сближенность многих пластов почти на всех месторождениях Кузбасса.

3

Первые сведения о наличии метана в углях Кузбасса встре­ чаются в работе С. О. Гроссмана [11]. В последующие годы изу­ чением и прогнозом газообильности шахт Кузбасса занимались Институт горного дела им. А. А. Скочинского (Г. Д. Лидин), Куз­ нецкий научно-исследовательский угольный институт (И. М. Печук, А. И. Динеев, С. А. Баталин), Томский политехнический ин­ ститут им. С. М. Кирова (А. Ф. Каратаев) и Институт геологиче­ ских наук Академии наук СССР (А. И. Кравцов).

Начиная с 1951—1954 гг. ведущее значение в исследовании вопросов прогноза газообильности и борьбы с газом в шахтах Кузбасса приобретают работы ВостНИИ. Ставшее к тому времени обязательным составление прогнозов газообильности проектируе­ мых шахт-новостроек и нижних горизонтов действующих шахт выполнялось вначале самим институтом, позднее — проектными организациями (Сибгипрошахт, Кузбассгипрошахт, ВНИИГидроуголь, проектные конторы комбинатов) под методическим руко­ водством ВостНИИ. Первоначально применялся обычно горноста­ тистический метод прогноза, дополненный некоторыми положе­ ниями других методов. Однако надежность прогнозов была низкой ввиду недостаточного количества исходных данных. Поэтому ВостНИИ и трестом «Кузбассуглегеология» были проведены ис­ следования по разработке технических средств и методики опро­ бования угольных пластов на газоносность при разведке.

В дальнейшем исследования вопросов газообильности шахт велись институтом в следующих направлениях:

изучение источников газа, неравномерности газовыделения и области целесообразного применения горнотехнических методов управления газовыделением в шахтах;

разработка и совершенствование методики прогноза газообиль­ ности горных выработок по данным газоносности угольных пла­ стов применительно к специфическим условиям Кузбасса;

составление прогноза газообильности шахт по месторождениям бассейна.

Большая актуальность исследований обусловливается возра­ стающим значением борьбы с газовыделением в связи с ростом глубины горных работ и техническим перевооружением производ­ ства, что сопровождается увеличением газообильности угольных шахт Кузбасса (табл. 3).

В настоящей монографии освещаются результаты исследова­ ний ВостНИИ, касающихся вопросов прогноза газообильности шахт-новостроек и нижних горизонтов действующих шахт по ме­ сторождениям бассейна, изучения источников газовыделения в шахтах и их количественного значения при различных системах разработки, области применения различных мероприятий по борь­ бе с газом.

Глава I написана К- А. Ефремовым и А. И. Дьячковым, гла­ ва II — Г. П. Дубовым (§ 3), Д. М. Пролыгиным (§ 4) и

6

Глава I

ИСТОЧНИКИ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ В ШАХТАХ И ГАЗОВЫЙ БАЛАНС УЧАСТКОВ

ПРИ ОСНОВНЫХ СИСТЕМАХ РАЗРАБОТКИ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В КУЗБАССЕ

§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Сложность и многообразие горно-геологических условий Куз­ басса обусловливают применение различных систем разработки угольных пластов и даже одновременное применение нескольких систем на одной и той же шахте.

Исследованиями установлено, что газообильность шахт Куз­ басса определяют в первую очередь тектоническое строение место­ рождения, сближенность пластов угля и степень метаморфизма углей.

Наибольшая газообильность горных выработок наблюдается при определенном сочетании этих трех факторов, когда они спо­ собствуют сохранению высокой природной газоносности угольных пластов и выделению значительных количеств метана в руднич­ ную атмосферу. Такие условия создаются в следующих случаях:

1. Если разрабатываемые пласты не имеют выхода под нано­ сы ввиду того, что между действующим горизонтом горных работ и поверхностью проходит закрытое дизъюнктивное нарушение (разрыв пласта), или же пласты залегают в закрытой антикли­ нальной структуре, замыкаясь на глубине не менее 30—40 м от поверхности. Как в том, так и в другом случае вековая миграция газов протекала в затрудненных условиях и в пластах сохрани­ лось большее количество газа, чем на той же глубине на участ­ ках, где они выходят под наносы1.

2. При высокой угленасыщенности отложений, обусловливаю­ щей перераспределение выделений газа при разработке свит сбли­

8

женных пластов: выемочные участки пласта, разрабатываемого первым (в Кузбассе, как правило, верхнего), резко выделяются повышенной газообильностью. При разработке мощных пластов угля слоевыми системами наиболее высокая газообильность выра­ боток отмечается при выемке первого слоя.

3. При разработке углей высокой степени метаморфизма (мар­ ки Т, СС, ОС), что обусловливает, при прочих равных условиях, более высокую газообильность горных выработок в силу повы­ шенной сорбционной способности этих углей по отношению к ме­ тану [2, 37, 66, 68, 70, 71, 73].

При одновременном наличии всех этих условий абсолютная газообильность отдельных участков шахт Кузбасса уже на глу­ бине 150—200 м от поверхности может превышать 10000 м3/сут, в некоторых случаях даже 20 000 м3/сут. При сочетании первых двух факторов такая газообильность возможна на глубине 250— 300 м от поверхности.

Если в границах одного и того же шахтного поля резко изме­ няются горно-геологические условия (особенно тектоника), то, как правило, газообильность выработок различных шахтопластов и даже одного и того же пласта подвержена значительным колеба­ ниям. Как следствие, ряд шахт бассейна отнесен к III категории и сверхкатегорным по газу, хотя в целом по шахте суммарное газовыделение сравнительно невелико. В качестве иллюстрации указанного положения в табл. 4 приведены данные о максималь-

ной (по результатам определений категории шахты по газу) и средневзвешенной газообильности горных выработок двенадцати наиболее газовых шахт бассейна за 1966—1970 гг.

9

Для успешного решения вопросов борьбы с метаном необхо­ димо знать источники газовыделения и их удельное значение в общем дебите газа, иными словами — структуру газового балан­ са участков.

Основные источники выделения метана на действующих гори­ зонтах угольных шахт Кузбасса:

выработанные пространства в пределах выемочных участков — за счет выделения газа из соседних пластов, боковых пород, не­ разрабатываемых пачек угольного пласта и оставляемого в зава­ ле угля;

угольные массивы в пределах очистного участка; стенки, кровля и почва подготовительных выработок.

Второстепенными источниками газовыделения могут являться зоны геологических нарушений, старые выработанные простран­ ства (за пределами выемочных участков) и оставляемые целики угля.

За последние годы наиболее газоносные пласты на шахтах Кузбасса разрабатывались главным образом следующими систе­ мами: длинными столбами по простиранию, щитовой, комбиниро­ ванной с гибким перекрытием, наклонными слоями с гидрозаклад­ кой, а при гидравлической технологии добычи угля — подэтаж­ ной гидроотбойкой. На примере этих систем приводится изложе­ ние обобщенных результатов исследований ВостНИИ по выявле­ нию структуры газовых балансов участков. При этом надо иметь в виду, что приводимые ниже данные характерны для наиболее газообильных участков, разрабатываемых каждой из систем, но не для системы в целом. При малой газообильности участков, на­ пример при отсутствии газовыделения из сближенных пластов, структура газового баланса может значительно отличаться от опи­ сываемой.

§ 2. СТРУКТУРА ГАЗОВОГО БАЛАНСА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СТАДИИ ОТРАБОТКИ УЧАСТКОВ

Система разработки длинными столбами по простиранию. Бо­ лее половины высокогазообильных участков разрабатывалось в Кузбассе за последние годы системой длинных столбов по про­ стиранию. Эта система разработки применяется в различных по геологическому строению районах бассейна. Больше всего участ­ ков с высокой абсолютной газообильностью встречается на поло­ гих пластах, разрабатываемых высокопроизводительными механи­ зированными лавами. На пологом и наклонном падении этаж разделяется, как правило, на два-три подэтажа, на крутом иногда число подэтажей доходит до пяти-шести; в последнем слу­ чае лавы отрабатываются одновременно, обычно с опережением нижних лав верхними.

Тектонические факторы, определяющие высокую газообильность участков (закрытые и полузакрытые антиклинальные склад­

10