CC BY
42
© Ю.В. Шувалов, В.Н. Бобровников,
О.И. Казанин, 2004
УДК 622.411.33:533.17
Ю.В. Шувалов, В.Н.Бобровников, О.И. Казанин
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО УПРАВЛЕНИЮ ГАЗОВЫМ РЕЖИМОМ ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ ШАХТ ВОРКУТЫ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОЙ МЕТАНООБИЛЬНОСТИ
Семинар № 5
ш Ш ринятая на шахтах Печорского бас-
.Л-Ш. сейна и хорошо зарекомендовавшая себя в последние 20-30 лет прямоточная с подсвежением и выпуском исходящей вентиляционной струи из лавы на выработанное пространство схема проветривания выемочных участков, при бесцеликовом способе поддержания и повторном использовании сохраняемой за лавой выработки, в настоящее время далеко не всегда обеспечивает высокой производительности и безопасности ведения работ. В значительной степени исчерпаны возможности воздухообеспечения добычных участков (2500-3000 м3/мин.), а частые случаи возгораний и взрывов газа (пыли) в вентиляционных выработках, вблизи очистных забоев, требуют поиска новых путей управления аэрогазодинамическими процессами.
Бесцеликовая отработка выемочных столбов в условиях высокой газообильности выемочных участков и движения исходящей вентиляционной струи за лавой на контакте с выработанным пространством ведет к образованию взрывоопасных местных (слоевых) скоплений метана в выработке за лавой.
Одним из перспективных направлений повышения безопасности и эффективности работы добычных участков шахт является переход на подготовку выемочных столбов парными выработками. За счет подготовки выемочного участка парными выработками с оставлением целика между основной конвейерной выработкой и выработкой, поддерживаемой на контакте с выработанным пространством (ВП) и служащей для безопасного отвода метановоздушного потока из ВП, будет нормализован газовый режим, возрастет нагрузка на очистной забой.
Выемочный участок пласта «Четвертый» Воркутского месторождения при подготовке
выемочного столба парными выработками может иметь две схемы проветривания. Для конкретности возьмем случай отработки выемочного столба по простиранию, проветривание лавы - нисходящее.
1. Возвратноточное проветривание с выдачей исходящей струи воздуха по конвейерному штреку (верхняя парная выработка) на передовую сбоечную печь и далее на нижнюю парную выработку («бисовский» штрек). При этом осуществляется изолированный отвод метана по неподдерживаемому за лавой конвейерному штреку (КШ). Преимуществом такой схемы проветривания является отсутствие каких-либо работ в КШ за лавой, т.е. там, где возможны образования опасных скоплений метана. Недостатки данной схемы:
а) неустойчивое проветривание участка КШ между лавой и передовой сбоечной печью;
б) высокая вероятность загазирования нижнего сопряжения лавы при нарушении изолированного отвода метана (в случае нисходящего проветривания лавы);
в) необходимость установки энергопоезда на значительном удалении от лавы (за передовой сбоечной печью на свежей струе);
г) необходимость укорачивания конвейера в КШ непосредственно вслед за подвига-нием очистного забоя.
2. Прямоточная с подсвежением исходящего из лавы воздуха по КШ и с выдачей исходящей струи по задней сбоечной печи на нижнюю парную выработку («бисовский» штрек) схема проветривания выемочного участка. При этом осуществляется изолированный отвод метана по непогашаемому КШ за задней сбоечной печью. Данная схема лишена недостатков предыдущей, но в этом случае возможно образование местных скоп-
Рис. 1. Управление газоеыделением из выработанного пространства с помощью изолированного отвода метановоздушной смеси по неподдерживаемой выработке (лава 312-ю пл. Четвертого шахты «Комсомольская »)
лений метана в поддерживаемом за лавой участке КШ на контакте с выработанным пространством. Этот фактор определяет расстояние между сбоечными печами (50 м). Такая схема проветривания выемочного участка является предпочтительной и принята к использованию.
При суточной нагрузке на очистной забой пласта «Четвертый» 2000-2200 т/сут. общее метановыделение на выемочном участке возрастет до 100-110 м3/мин, из которых 65-70 % будет извлекаться за счет дегазации под- и надрабатываемых пластов-спутников. Около 40 м3/мин метана необходимо удалять вентиляционной струей. Пропускная способность вентиляционных сетей шахт позволяет подавать на выемочный участок пласта «Четвертый» шахт Воркуты до 2800-3000 м3/мин свежего воздуха. С учетом неравномерности метановыделения, с исходящей вентиляционной струей участка возможно удалить не более 25 м3/мин метана. Оставшиеся 15 м3/мин метана требуют применения дополнительных средств газоотвода, либо увеличения эффективности участковой дегазации по крайней мере до 75 % (т.е. из 100 м3/мин метана 75 м3/мин должны быть отведены дегазацией).
Одним из эффективных способов управления газовыделением из выработанного пространства (ВП) является изолированный отвод метана за пределы выемочного участка. Изолированный отвод метановоздушной смеси по неподдерживаемым выработкам или с применением специальных устройств (газоотсасывающих вентиляторов) в горных выработках с отводом метана через обрушенные породы часто эффективен, но имеет ограниченную возможность, а использование отсоса через скважины большого диаметра на поверхность проблематично в условиях отработки пластов «Четвертый» и «Мощный» на Воркутском месторождении из-за большой глубины. Для отвода значительных объемов выделяющегося в ВП метана необходимо создание специальных дренажных выработок. При отработке выемочных столбов по падению или восстанию схемы проветривания выемочных участков и изолированного отвода метана аналогичны схемам при отработке столбов по простиранию.
Для обеспечения устойчивой добычи угля из лавы пласта «Четвертый» 2000 т/сут и более по условиям проветривания нижний штрек (нижняя парная выработка при нисходящем порядке отработки столбов в панели) должен проходиться сечением не менее 12,8 м2. После проведения мероприятий по поддержанию этой выработки ее сечение должно быть не менее 11 м2. Конвейерный штрек (верхняя парная выработка) должен прохо-
диться сечением не менее 10 м2, т.к. по его поддерживаемому за лавой участку (от лавы до сбоечной печи) должно проходить около 2000-2300 м3/мин воздуха. Для создания необходимой пропускной способности (не менее 600-800 м3/мин) выработки для изолированного отвода метана крепление конвейерного штрека в непогашаемой его части должно усиливаться так, чтобы после усадки сечение штрека оставалось не менее 6 м2. Поддержание конвейерного штрека увеличивает пропускную способность вентиляционной сети выемочного участка, что позволит подавать для проветривания этого участка 3000-3200 м3/мин воздуха и более. Сечение сбоечных печей - не менее 10 м2.
Предлагаемая подготовка выемочных столбов парными штреками позволит бурить дегазационные скважины из нижнего штрека в непосредственной близости от лавы, улучшить условия работы скважин (т.к. стволы скважин будут охраняться целиком угля), увеличить продолжительность их эффективной работы и концентрацию метана в каптируемой метановоздушной смеси. Следовательно, возрастет эффективность дегазации на участке в целом.
Первый эксперимент проводился на выемочном участке лавы 312-ю пласта «Четвертый» шахты «Комсомольская» ОАО «Воркутауголь» в 1998 г. Система разработки - столбовая, с отработкой столба по простиранию. Длина выемочного столба - 1370 м, лавы -192 м; средняя мощность пласта -1,42 м, угол падения пласта - 50. Подготовка столба осуществлена парными выработками с оставлением целика угля между ними - 6м; в процессе отработки столба ширина целика снижалась до 3 м. Лава работала с начала 1997 г., среднесуточная нагрузка в период эксперимента - 600-1000 т/сут.
Схема проветривания участка (рис.1) -прямоточная с подсвежением исходящего из лавы воздуха и выдачей исходящей струи участка по двум выработкам:
а) конвейерному штреку 312-ю-бис, который после задней сбоечной печи является неподдерживаемой выработкой и служит для изолированного отвода метана;
б) конвейерному штреку 312-ю.
Для проветривания выемочного участка по вентиляционному штреку 312-ю подается 900-1100 м3/мин свежего воздуха, для под-свежения исходящего из лавы воздуха -
1200-1600 м3/мин по конвейерным штрекам. Природная метаноносность пласта - 20-25 м3/т. Пласт «Четвертый» отрабатывается в свите первым и его выемочные участки имеют наибольшую газообильность, которая на шахте «Комсомольская» достигает по отдельным участкам 60-80 м3/мин. Метано-обильность участка лавы 312-ю в 1998 г. составляла от 20 (январь) до 45 м3/мин (апрель).
Всего с помощью вентиляции с экспериментального участка удалялось в среднем от 7,3 до 11,0 м3/мин метана. Из них по конвейерному штреку (КШ) 312-ю отводилось 2027 % выделяемого метана, оставшиеся 73-80 % метана отводились изолированно по КШ 312-ю-бис. Следовательно, изолированный отвод метана по неподдерживаемой выработке при подготовке выемочного участка парными выработками улучшает вентиляцию, т.к. позволяет изолированно удалять до 80 % поступающего в вентиляционную струю участка метана. Концентрация метана в КШ 312-ю не превышала 0,4 %, а в неподдерживаемом штреке 312-ю-бис концентрация составляла 0,8-1,5 %. Низкая концентрация метана в основном штреке 312-ю и отсутствие контакта с выработанным пространством исключает возможность образования опасных местных (слоевых) скоплений метана. В ходе эксперимента опасных скоплений метана в КШ 312-ю не отмечено. Невысокое содержание метана в КШ и фланговых выработках позволяет безопасно вести работы. При наличии парных выработок можно устанавливать станок для бурения дегазационных скважин в любой точке КШ 312-ю, не мешая технологическому процессу.
Таким образом, парная нарезка выработок, оконтуривающих выемочный участок, при отработке пласта «Четвертый» в условиях, аналогичных шахте «Комсомольская» (глубина более 800 м, метанообильность свыше 50-70 м3/мин), является более предпочтительной по сравнению с одинарной подготовкой, т.к. парная подготовка позволяет увеличить нагрузку на очистной забой до 2000 т/сут и более. Кроме того, для обеспечения эффективной работы данной схемы газоуправления на выемочном участке необходимо развивать работы по выбору рациональных видов крепления используемой для изолированного отвода метана выработки. Условия крепления и поддержания этой вы-
работки должны обеспечивать остаточное пропускное сечение не менее 6 м2.
Подобный эксперимент проводился в конце 2002 - начале 2003 г. на выемочном участке лавы 123-ю пласта «Четвертый» шахты «Северная» ОАО «Воркутауголь». Участок выемочного столба протяженностью около 200 м (с учетом сопряжений) был подготовлен парными штреками. Эта лава работает на глубине около 1000 м от поверхности. Пласт «Четвертый» также отрабатывается в свите первым, природная метаноносность угольных пластов на таких глубинах достигает 20-25 м3/т горючей массы. Участок с парными штреками начинается на расстоянии 110 м от монтажной камеры этой лавы. Ширина междуштрекового целика изменяется по ходу движения от монтажной камеры от 3-4 м (участок длиной 50 м) до 4,5-5 м (участок 70 м) и до 5-5,6 м (45 м), плюс сопряжения парных штреков и участки перехода от одной ширины целика к другой.
Система разработки - длинными столбами по простиранию; схема вентиляции выемочного участка - прямоточная с подсвежением. По вентиляционному штреку к лаве (навстречу лаве) подается 800-950 м3/мин свежего воздуха, по конвейерному штреку подается на подсве-жение исходящей струи из лавы 1400-1550 м3/мин воздуха. Нагрузка на лаву в ходе эксперимента достигала 1700-1800 т/сут. Эффективность участковой дегазации - около 70 %, дегазацией отводится 40-50 м3/мин метана.
Кроме «частичной» парной подготовки на участке лавы 123-ю применен еще один метод управления газовыделением из выработанного пространства (ВП) - использование изолирующей стенки, выкладываемой из золоблоков за лавой, на контакте конвейерного штрека 123-ю с ВП, на высоту 1,5 м. Изолирующая стенка позволяет снизить интенсивность поступления метана из ВП в штрек за лавой (м3/мин на погонный метр штрека), что было доказано в ходе шахтных экспериментов на шахтах Воркуты.
Концентрация метана в исходящей струе участка обычно не превышала 0,9%, расход поступающего в вентиляционную струю метана достигает 20-23 м3/мин. Содержание газа в исходящей струе лавы достигает 0,8 %, метановыделение в лаве - 3-4 м3/мин. Детальное обследование участка выемочного столба с парными выработками согласовывается с выводами по итогам эксперимента на
участке лавы 312-ю шахты «Комсомольская». При обследовании в период, когда весь участок выемочного столба 123-ю с парными штреками был уже за лавой (начало участка в 10-20 м за лавой), отмечено следующее.
В конвейерном штреке 123-ю-бис (нижняя парная выработка), непосредственно не контактирующем с выработанным пространством, средняя концентрация метана не превышала 0,2-0,3 %. Однако, содержание метана в шпуре, пробуренном из «бисовского» штрека в междуштрековом целике шириной 5-5,5 м, на расстоянии 1-1,5 м от устья шпура составило 8 %. Это говорит о том, что в целях безопасности по газовому фактору при парной подготовке не следует оставлять целик между парными выработками менее 5,56 м.
В конвейерном штреке 123-ю (верхняя парная выработка), контактирующим за лавой с выработанным пространством и служащим при парной подготовке для изолированного отвода метановоздушной смеси за пределы участка, концентрация метана достигает 1,5-2 %, средняя по сечению - 1,2-1,5 %. Следовательно, в нижнем штреке концентрация метана минимальна и он является безопасным, в верхнем штреке концентрация метана максимальна и эта выработка является газодренажной при условии поддержания в ней свободного сечения не менее 6 м2, а также строгого выполнения мероприятий по недопущению появления в этом штреке источников воспламенения метана. По верхнему штреку отводится 15-20 м3/мин метана и более.
Таким образом, технология отработки пластов при нарезке выемочных столбов парными выработками позволяет выполнить следующее.
1. Увеличить нагрузки на очистные забои пласта «Четвертый» до 2000 т/сут и более (относительная метанообильность выемочных участков этого пласта достигает 60 м3/т и более).
2. За счет создания газодренажных выработок эффективно управлять метановоздушными потоками из выработанного пространства (ВП). Дренажные выработки позволяют изолированно отводить с участка до 15-20 м3/мин (и более) метана из ВП.
3. Отказаться от диагональных вентиляционных сбоек, которые приходится проходить
для проветривания подготовительных забоев при одинарной подготовке.
4. Улучшить условия работы дегазационных скважин за счет бурения их через оставляемый междуштрековый целик из пар-
ной выработки, не имеющей непосредственного контакта с ВП.
5. Максимально приблизить дегазационные скважины к лаве, что позволит увеличить эффективность дегазации по выемочному участку на 5-15 %.
— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------------------------
Шувалов Юрий Васильевич - профессор, доктор технических наук, декан горного факультета, зав. кафедрой экологии, аэрологии и охраны труда, Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г. В. Плеханова (технический университет).
Бобровников Владимир Николаевич - профессор кафедры горного дела, филиал Санкт-Петербургского государственного горного института им. Г. В. Плеханова (технического университета) «Воркутинский горный институт».
Казанин Олег Иванович - и.о. зав. кафедрой горного дела, Филиал Санкт-Петербургского государственного горного института им. Г. В. Плеханова (технического университета) «Воркутинский горный институт», и.о. директора.
---------------------------------------- © В.А. Бобин, А.Н. Ланюк,
В.Н. Труфанов, М.И. Гамов, 2004
УДК 662.74
В.А. Бобин, А.Н. Ланюк, В.Н. Труфанов, М.И. Гамов
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТА ВИБРОВОЛНОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ГАЗОНАСЫЩЕННОЕ УГОЛЬНОЕ ВЕЩЕСТВО
Семинар № 5
ТТ ель исследования состоит в оценке влияния резонансного виброволново-го воздействия на угольный пласт, обеспечивающего распад элементов структуры угольного вещества и увеличение степени его дегазации.
Работа базируется на исследованиях по теоретическому обоснованию физикоматематической модели строения макрострук-
туры угольного вещества [1], а ее основу составляют два основных постулата: 1) первичным элементом макроструктуры является сорбционная частица размером менее 1 мкм и включающую порядка 10 18 микропор/г; 2) доминирующим физическим процессом, который определяет метановыделение является диффузия.
