CC BY
115
_____________________________ © Т.Е. Хакимжанов, Г.Ю. Абдугалиева,
2009
УДК 622.831.325.3
Т.Е. Хакимжанов, Г.Ю. Абдугалиева
УМЕНЬШЕНИЕ ЗАГАЗОВАННОСТИ ЛАВЫ ПРИ ВЫЕМКЕ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ПУТЕМ ДЕГАЗАЦИИ ВЫРАБОТАННЫХ ПРОСТРАНСТВ
Рассмотрены способы снижения метановыделения из выработанного пространства с целью уменьшения загазованности лавы. Описаны методы дегазации выработанного пространства путем бурения скважин с поверхности, способ управления газовыделением из выработанного пространства в лаву путем нагнетания по всей длине лавы воздушно-механической пены.
Ключевые слова: газовыделение, метановыделения, дегазационные скважины, геомеханические процессы, пропластки угля.
начительную часть общего дебита метана в угольных шахтах составляет метановыделение из выработанного пространства. Газовый баланс на выемочных участках составляет 70% газовыделения из выработанного пространства и 30% из разрабатываемого пласта. С увеличением глубины происходит перераспределение составных частей газового баланса, возрастает роль метановыделения из выработанного пространства. Поэтому сколько-нибудь значительное снижение интенсивности выделения метана из выработанного пространства позволит сократить число остановок комбайна из-за превышения предельно-допустимой концентрации метана, обеспечит повышение производительности угледобывающей техники за счет увеличения скорости подачи комбайна, снизит себестоимость угля, повысит нагрузку на лаву.
Удаление газовоздушной смеси из выработанного пространства средствами вентиляции (концентрация метана в действующих выработках регламентируется требованиям ПБ) требует создания специальной сети выработок, подачи большого расхода воздуха, т.е. увеличения затрат на проведение дополнительных выработок и повышения производительности вентиляторов главного проветривания.
При современной технологии добычи угля подземным способом применяются различные способы снижения выделения метана из выработанного пространства. Одним из рациональных технических решений является удаление высококонцентрированной мета-
новоздушной смеси из выработанного пространства методами дегазации, т.е. путем бурения дегазационных скважин в места их наибольшего скопления (в зоны разгрузки спутников в почве или кровле пласта) с подземных горных выработок или с поверхности.
Бурение дегазационных скважин из действующих горных выработок в выработанное пространство лавы впереди линии очистного забоя, как показала практика, неэффективно, т.к. срок службы их небольшой, из-за частого срезания скважин под действием опорного давления впереди линии очистного забоя.
Бурение дегазационных скважин на спутники угольного пласта (в почве или кровле) из поддерживаемых за лавой горных выработок в разгруженные зоны обеспечивает достаточно высокую эффективность дегазации (до 30-40%) выработанного пространства. Однако данный способ пригоден только для прямоточных схем проветривания и требует тщательной герметизации устья скважины на глубину 8-10 м, что трудно выполнить в стесненных условиях выработок, поддерживаемых вслед за очистным забоем.
Известны способы дегазации выработанного пространства, которые осуществляются путем отсоса газовоздушной смеси через трубы, укладываемые в выработанном пространстве [1]. Эти способы требуют производства дорогостоящих и трудоемких работ по бурению скважин и укладке трубопроводов, проходке и заперемычива-нию специальных выработок. В трубопроводы и скважины засасывается значительное количество чистого воздуха, что приводит к снижению концентрации газовой смеси до взрывоопасной и снижает эффективность способов.
Наибольшее распространение в Карагандинском угольном бассейне получила дегазация выработанного пространства посредством бурения скважин с поверхности. Эффективность данного способа достигает 70% при концентрации извлекаемого метана до 90%. Наибольший эффект при этом получается при отработке одиночной лавой (т.е. оставлением целиков угля как со стороны конвейерного, так и вентиляционного штреков) [2].
Однако, несоответствие местоположения и конструкции вертикальных скважин с поверхности к конкретным горногеологическим условиям снижают эффективность их работы. Не редки случаи нарушения целостности скважин, выхода их из строя еще до подхода очистного забоя или прекращения выхода метана при небольшом отходе от них очистного забоя. В период, когда де-
газационная скважина находится впереди очистного забоя, она испытывает влияние опорного давления. Все это оказывает отрицательное влияние на сохранность скважины. Эффективность работы дегазационной скважины в значительной степени зависит от того, насколько при ее заложении учитываются особенности перемещения масс подработанных пород и те геомеханические процессы, которые происходят в подработанной толще при различных горногеологических условиях. В этом направлении учеными ИГД им. Д.А. Кунаева совместно с ПО «Карагандауголь» были проведены исследования и разработаны соответствующая методика и технические решения [3, 4]. Дано теоретическое обоснование параметров газовых коллекторов на основе механизма сдвижения пород подработанного массива. При отходе лавы от разрезной печи содержание газа на исходящей очистного забоя не высокое и сохраняется примерно на одном уровне до момента первой посадки основной кровли. При посадке основной кровли содержание газа резко увеличивается. После посадки основной кровли газовыделение понижается, но общий уровень становится больше, нежели до момента посадки. В последующем, по мере подвигания очистного забоя, газовыделе-ние постепенно увеличивается. Равномерное повышение газовыде-ления нарушается резким скачком при следующей посадке основной кровли.
Общее увеличение газовыделения с наличием резких изменений, определяемых шагом посадки основной кровли, происходит до определенного расстояния очистного забоя от разрезной печи. Затем уровень газовыделения стабилизируется и остается примерно постоянным до окончания отработки столба.
На рис. 1 приведена схема сдвижения горных пород движущемся очистном забое при отработке одиночного столба, имеющего на флангах массив угля и пород, т.е. не имеющий отработанных площадей, в соответствии с которой формируется коллектор газа. При небольшом отходе очистного забоя от разрезной печи происходит отслоение и разрушение пород непосредственной кровли, которые формируют зону беспорядочного обрушения. Когда расстояние от очистного забоя до разрезной печи становится равным предельному пролету слоев основной кровли, происходит ее первая посадка. При дальнейшем подвигании очистного забоя процесс расслоения все более распространяется кверху от кровли пласта, вследствие чего увеличивается объем деформированных пород.
Происходят вторичные посадки основной кровли. Слои пород в зоне расслоений оседают с определенной периодичностью, которая зависит от состава и прочности пород налегающей толщи. Увеличение зоны расслоений происходит до тех пор, пока уплотнение пород в зоне беспорядочного обрушения не достигает значения, при котором формируется опора для оседающих слоев. С момента формирования такой опоры высота зоны расслоений остается постоянной и не изменяется при дальнейшем подвигании очистного забоя [5].
В прямой зависимости от процесса сдвижения пород находится опорное давление впереди движущейся лавы и расстояние от забоя до точки максимума этого давления. По мере отхода лавы от разрезной печи эти параметры увеличиваются. На общем фоне возрастания опорного давления возникают резкие увеличения его значения в моменты первой и последующих посадок основной кровли. Возрастание величины опорного давления и расстояния до точки максимума происходит до тех пор, пока не заканчивается формирование зоны расслоений. При дальнейшем подвигании очистного забоя их значения остаются постоянными для данных горно-геологи-ческих и горнотехнических условий.
Выделение газа происходит из отрабатываемого пласта при вскрытии его выработками и отбойке угля, а также из слоев налегающей толщи, которая включает пропластки угля и углистого аргиллита. Чем больше зона, в которой пласт угля находится в предельно-напряженном состоянии, тем большее выделение газа. С ростом высоты зоны расслоений увеличивается объем загазованных пород, так как при их оседании, которое происходит постоянно, увеличивается приток газа из выработанного пространства. Сравнение динамики газовыделения и процесса сдвижения пород подработанной толщи при движущемся очистном забое показывает, что увеличение зон расслоений пород и опорного давления происходит до определенного размера, зависящего от горногеологических и горнотехнических условий. В соответствии с этим изменяется уровень газовыделения.
Рис. 1. Схема сдвижения пород: 1 - коллектор газа; 2 - зона уплотнившихся пород; hp - высота зоны расслоений; Ио - высота зоны обрушений; Lo - расстояние от забоя лавы до границы зоны расслоений в горизонтальной плоскости; L1 - расстояние от забоя лавы до уплотнения пород в зоне беспорядочного обрушения
Отмеченная зависимость позволяет выделить те параметры сдвижения пород подработанной толщи, которые влияют на газо-выделение.
Исходя из схемы сдвижения пород (рис. 1) основными параметрами коллектора газа, влияющими на выбор способа дегазации, являются: граничная линия сжатия и растяжения пород (АВС); высота зоны расслоений Ц; расстояние от забоя лавы до границы зоны расслоений в горизонтальной плоскости Lo; расстояние от забоя лавы до уплотнения пород в зоне беспорядочного обрушения L1.
Для разработки мероприятий по сохранности вертикальных дегазационных скважин существенное значение имеет положение граничной линии сжатия и растяжения пород (АВС), которая разделяет зону повышенного горного давления и зону, где породы имеют деформацию растяжения (рис. 1). Эта линия начинается у границы отработки и идет под некоторым углом (а) в сторону выработанного пространства. Угол между граничной линией в зоне расслоений и горизонталью зависит от состава, прочности и мощности породных слоев и изменяется в пределах от 650 до 880, Для практических целей дегазации этот угол может быть принять равным, в среднем, 770 [3].
В натурных условиях процесс перемещения подработанных слоев горных пород имеет периодический характер. При общем медленном опускании происходят резкие посадки основной кровли, которые и нарушают скважину. Для лучшей сохранности нижней части дегазационных скважин место их заложения необходимо выбирать с учетом шага обрушения основной кровли, чтобы перед посадкой основной кровли скважина находилась на линии забоя лавы. Тогда следующая посадка сосоится в период, когда лава пройдет на 15-25м за скважину и она окажется в пределах оседающего блока пород.
Рассмотренные геомеханические факторы оказывают основное влияние на целостность дегазационных скважин. Знание этих факторов позволяет более эффективно подойти к разработке технических решений по выбору мест заложения дегазационных скважин, технологии их бурения и совершенствованию конструкции.
Для снижения газообильности лавы и роста производительности угледобывающей техники, увеличения нагрузки на очистной забой, улучшения условий труда, а также повышения безопасности ведения работ путем консервации метана и других вредных газов в
выработанном пространстве предлагается способ управления газо-выделением из выработанного пространства в лаву, основанный на том, что по мере продвижения груди забоя в выработанное пространство по всей длине лавы нагнетают воздушно-механическую пену [6]. Воздушно-механическая пена заполняет пустоты, смачивая поверхность угольно-породных остатков, образует пленки в структуре и пустом пространстве, изолирует выработанное пространство и тем самым препятствует распространению дренирующего здесь газа.
Кроме того, под действием радиоактивного излучения вмещающих углесодержащих пород, в результате реакции диссоциации воды Н2О ^ Н+Н+О образуются ионизированные атомы водорода и кислорода, которые, реагируя с угольными остатками, образуют дополнительное количество вредных газов:
С+4Н = СН4, С + О =СО, С + О2 = СО2,
Н + Н = Н2.
Нагнетаемая пена изолирует ионизированные атомы друг от друга и препятствует образованию газов, а в случае их образования - препятствует распространению.
Характер дренирования, образования и выделения газов препятствует оседанию полимерного пенообразующего вещества и тем самым усиливает эффективность способа.
Так, при системе разработки длинными столбами по простиранию с полным обрушением кровли с применением механизированного комплекса с передвижной крепью на вентиляционном штреке выемочного участка размещают емкость с пенообразующей жидкостью, например 3% водный раствор пенообразователя (ПО-1). Необходимый для создания давления жидкости и образования пены сжатый воздух подают; из участковой магистрали сжатого воздуха.
По гибким трубопроводам или шлангам, подвешанным к верхней части передвижной крепи ближе к выработанному пространству так, чтобы не препятствовать свободной передвижке секции крепи, сжатый воздух и пенообразующую жидкость подают по всей длине лавы и пеностволам. Пеностволы (ПС) устанавливают путем подвешивания к механизированной крепи через равные интервалы (5-10 м) по длине очистного забоя (рис. 2). Сопла пеност-волов направляют между секциями крепи или в специально устроенные отверстия в крепи в выработанное пространство.
После снятия очередной ленты угля комбайном одновременно с передвижкой крепи включают пеностволы. Пена заполняет образующиеся в выработанном; пространстве пустоты, смачивает угольно-породные осадки и тем самым изолирует выработанное пространство от призабойной части лавы.
Нагнетание пены производят до полного заполнения всех пустот за крепью. Время нагнетания зависит от параметров пены (ее стойкости, кратности) и очистного забоя (мощность пласта, угол падения и др.). Одновременно с нагнетанием пены производят технологические операции по выемке угля: передвижку крепи, зачистку лавы, передвижку конвейера, снятие следующей ленты угля комбайном. Затем цикл повторяется.
Преимуществами способа перед аналогичными являются отсутствие необходимости поддержания выработок и бутовых полос в выработанном пространстве, если это не обусловлено системой разработки и схемой проветривания; простота и малая трудоемкость операций и мероприятий; низкая стоимость применяемого раствора-пенообразователя; возможность использования при различных системах разработки и механизации; отсутствие подготовительных операций; нет необходимости останавливать добычу угля из лавы для производства операций, связанных с изоляцией выработанного пространства; есть возможность автоматизировать процессы.
Обращает на себя внимание большой диапазон условий, при которых возможно использование описываемого способа. Наряду с его применением при различных системах разработки он предполагает большое количество вариантов механизации очистных работ. Горно-геологические условия залегания пластов, такие, как мощность и угол падения, также влияют на скорость подвигания очистного забоя, а следовательно, на параметры нагнетания пены. Эти параметры можно варьировать в широких пределах путем изменения стойкости и кратности пены (т.е. изменением применяемого пенообразователя или его концентрации), а также интенсивности подачи пены. Таким образом, способ можно использовать в широком диапазоне горне-геологических условий.
Рис. 2. Расположение пеностволов и трубопроводов в лаве: 1 - выработанное пространство; 2 - конвейерный штрек; 3 - призабойное пространство; 4 - емкость с пенообразуюшей жидкостью; 5 - трубопроводы с жидкостью; 6 - шланги с сжатым воздухом; 7 - пеностволы; 8 - пена
В способе могут применяться различные, выпускаемые промышленностью и используемые в народном хозяйстве, в том числе
и в горном деле, пеностволы, пеногенераторы, пенообразующие жидкости и растворы.
В качестве примера пеногенераторных установок для получения большого количества пены высокой кратности в воде, используемых при данном способе можно привести разработанную УНИЛ ВГСЧ пеногенераторную установку ПГУ производительностью до 100 м3/мин пены.
Пена высокой кратности (400-600) образуется при совместном прохождении через пеноствол пенообразующего раствора и воздуха. При помощи пеногенератора III У пеной можно заполнять сверху вниз вертикальные и наклонные выработки, горизонтальную выработку можно заполнить пеной из одной точки при попутном направлении вентиляции на длину до 400 м.
В качестве пенообразователя применяется состав ПО-1, содержащий 8 весовых частей упаренного керосинового контакта, 3,5 весовых частей 28% раствора клея и 1 весовую часть спирта - сырца.
Предлагаемый способ целесообразно использовать на шахтах и рудниках, атмосфера которых содержит ядовитые, взрывчатые и радиоактивные примеси, главным образом на категорных и сверх-категорных по метану шахтах.
Этот способ управления газовыделением из выработанного пространства в лаву позволит повысить безопасность ведения добычных работ в лаве и нагрузку на очистной забой за счет снижения простоев добычных машин из-за превышения допустимых норм содержания газа в лаве.
----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бурчаков Г.М., Мустель П.И., Ушаков К.З. Рудничная аэрология. - Москва, 1971. - 376 с.
2. Баймухаметов С.К. Проблемы безопасности разработки высокогазоносных угольных пластов. - Караганда, 2006. - 206 с.
3. Болгожин Ш.А.-Г., Клиновицкий Ф.И., Сейдахметов Е. и другие. Методическое руководство по определению параметров газовых коллекторов при отработке пологих угольных пластов. - ИГД АН КазССР, Алма-Ата, 1984. - 17 с.
4. Технические решения по совершенствованию метода дегазации скважинами с земной поверхности при отработке пологих угольных пластов в Карагандинском бассейне. - ИГД АН КазССР, Алма-Ата, 1985. - 32 с.
5. Болгожин Ш.А.-Г., Клиновицкий Ф.И. Геомеханические условия охраны подготовительных выработок при отработке угольных пластов. - Алма-Ата: «Наука» КазССР, 1982. - 85 с.
6. Хакимжанов Т.Е. Газовыделение в очистные забои угольных шахт. - Алма-Ата: Наука, 1986. - 144 с.
Hakimzanov T.E. Abdugalieva G.J.
REDUCTION OF LONGWALL GASSED CONTAMINATION AT DREDGING OF COAL LAYERS BY DEGASSING OF THE WASTE SPACES
The methods of reduction of methane release from the waste area are considered with the purpose of reduction of gas contamination of the longwall. The description is given of the methods of degassing of the waste area by means of well-boring from the surface, the method of gas contamination control in the waste area to the longwall by means ofjetting of air and mechanical foam along the whole length of the longwall.
Key words: gas emission, methane emission, degassing holes, geomechanical processes, thin coal seams.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------
Хакимжанов Т. Е. - доктор технических наук, профессор, Главный научный сотрудник, Институт горного дела им. Д.А. Кунаева, E-mail: igdkpms@mail.ru
Абдугалиева Г.Ю. - кандидат технических наук, доцент, Заведующая лабораторией сдвижения пород и охраны горных выработок, ведущий научный сотрудник, Институт горного дела им. Д.А. Кунаева, E-mail: igdkpms@mail.ru
