CC BY
140
Павел Прокоп, проф.,
Остравский технический университет, Чешская Республика
Анализ факторов, влияющих на газообильность горных выработок
Факторы, определяющие газо-обильность горных выработок непосредственно связаны с процессами горного производства и во многом зависят от организации работ. В отличие от природных условий, которые определяются объективной реальностью, среди технико-производственных факторов имеются такие, которыми мы можем управлять. К ним отно-♦ятшособ ликвидации выработанных пространств,
♦ система проветривания очистного забоя,
♦ манипуляция с отбитым углем
♦ скорость подвигания линии очистного забоя,
♦ длина линии очистного забоя,
♦ механизация выемки угля,
♦ боковые фильтрации газа из целиков, ограждающих выемочные штреки,
♦ время разработки участка пласта отдельными очистными забоями,
♦ шахтная дегазация.
1. Способ ликвидации выработанного пространства
В чешской части Верхнесилезского бассейна на предприятиях Остраво-Карвинского бассейна (ОКБ) добыча угля производится исключительно с использованием сплошной выемки. С точки зрения газовыделения при такой системе разработки очень важен способ ликвидации выработанного пространства. Имеется в виду -управление кровлей способом принудительного обрушения или закладкой выработанного пространства.
В одинаковых условиях проявление горного давления и деформаций горных пород более значительно при управляемом обрушении кровли, чем при закладки выработанного пространства и,
вследствие этого, газопроницаемость вмещающих горных пород, как в кровле, так и в почве разрабатываемого пласта, более высокая. Кроме того, применяемая закладка способствует более быстрой во времени и в пространстве (с точки зрения расстояния от опорного целика) консолидации горного массива, а это значит, что уменьшается время выхода газа из массива в выработанное пространство.
Степень, в которой описанные различия проявятся, зависит, во-первых, от сжимаемости применяемого закладочного материала,
а, во-вторых, от технологии закладки выработанного пространства, включая фактор времени и расстояние закладки от целика. Установлено, что чем позднее заполнится выработанное пространство и чем больше будет расстояние от закладки до целика, тем закладка будет менее эффективной, т.к. прежде чем закладка начнет выполнять свою функцию уже в значительной степени проявится давление и деформация пород в зоне воздействия.
Специфической формой ликвидации выработанного пространства управляемым обрушением является сжатие горных пород при их обрушении. Характерным для этого способа ликвидации выработанного пространства является то, что здесь не наблюдается типичное для обрушения разрыхление пород в кровле, а вся непосредственная и основная кровля в почти ненарушенном состоянии равномерно укладывается на почву с постепенной конвергенцией кровли и почвы в выработанном пространстве. С точки зрения выделения газов из вмещающих пород это явление положительно, т.к.
породные слои разрушаются несравнимо меньше, чем в случае истинного завала и, кроме того, консолидация выработанного пространства проходит обычно быстрее. Осложнения возникают в случае, когда из непосредственной кровли отделится породный блок, который при наклонном залегании пласта съедет с места выпадения ниже по падению и станет опорным целиком, который помешает медленной конвергенции, т.е. гладкому протеканию сжима. При этом ухудшится как газовый режим, так и условия горного давления. Наличие описанного явления зависит от мощности угольного пласта (от границы физикомеханических свойств непосредственной кровли и технологии ведения горных работ.
2. Система проветривания очистного забоя
Различают ведение очистного забоя прямым ходом и обратным ходом, что представляет собой два основных способа проветривания очистного забоя на системе «Ш. Кроме этих двух способов существует целый ряд комбинированных способов проветривания. Комбинации возникают так, что откаточный или вентиляционный штрек проводят одновременно с подвиганием линии очистных работ. Некоторые наиболее важные схемы вентиляции очистного забоя приведены на рис. 1.
Разница влияния направления продвижения линии очистного забоя прямым или обратным ходом на газообильность забоя в период начала очистных работ незначительна: предыдущее газовыделе-ние из угольного пласта в зоне исходной сбойки через выемочные штреки, при соблюдении одинакового фактора времени от проходки
прямым ходом
обратным ходом
хххххххххх
система
«у
система
•Z”
система
" V
система
"н"
^ исходящая струя ив забоя ■ -> свежая струя в забой ___^ возможные подсосы воздуха
ххх звал /забой, штрек/
Рис. 1. Системы проветривания забоев
штрека до начала очистных работ приблизительно одинаково, т.к. с постепенным развертыванием очистных работ «прямым ходом» остается величина предыдущего газовыделения одинаковой на всем протяжении разработки, в то время как с развертыванием очистных работ способом «выемка обратным ходом» линия очистного забоя продвигается в направлении все более дегазированных участков штрека, вследствие опережения по времени проходки очистных штреков перед очистными работами.
В общем можно констатировать, что при разработке «обратным ходом» наименее благоприятная с точки зрения газового режима ситуация наблюдается во время начала очистных работ в забое, между тем, как с продвижением очистных работ при выемке «обратным ходом» газовый режим улучшается (в течении всего времени разработки не происходит вымывание обрушенных пород при подсосах воздуха). При выемке угля «прямым ходом» наиболее благоприятное состояние имеет место в начале выемки угля, а с увеличением расстояния линии очистного забоя от исходной сбойки газовый режим продолжа-
ет ухудшаться. Опережающее газовыделение в выемочные штреки при проходке остается таким же, как и в начале выемки угля, но возрастают утечки воздуха через завал в вентиляционный штрек в гораздо большей мере, чем при продвигании очистного забоя «обратным ходом».
У остальных схем, указанных на рис. 1, интенсивность «вымывания» завала приблизительно в два раза меньше, чем у системы при выемке «прямым ходом».
3. Манипуляция с отбитым углем
Наблюдение за выделением метана из отбитого угля и измерение его концентрации в эксплуатационной выработке показало, что если слой отбитого угля находится в состоянии покоя, то при высоте отбитого угля 0,3-0,6 м концентрация метана между его отдельными кусками может уже через 10 минут достигнуть 100% [2].
Важным обстоятельством является то, что уголь транспортируется по откаточным выработкам, по которым протекает свежая струя воздуха и скопившийся между отдельными кусками угольной массы метан выделяется в свежую вентиляционную струю (наибольшая интенсивность - на перегрузочном пункте). С этой точки зрения транспортировка угля по вентиляционному штреку, например, при нисходящей вентиляции, представляется более выгодной. Проблемой метана, выделяющегося из транспортируемого угля на угольных и газовых шахтах подробно описано в работах [3] и [4].
Величину выделения метана из транспортируемого угля можно определить посредством десорб-ционных кривых - зависимости количества выделяющегося метана от времени выделения, начиная с момента отбойки угля. Кривые получены на основании десорбо-
метрического измерения свеже-отобранного образца угольной массы. Образец с рассортированной крупностью зерна данной массы вкладывается в герметически закрывающийся сосуд - десор-бометр и в определенных интервалах времени производится отсчет нарастания объема газа за счет метана, десорбированного из образца угольной мелочи. Таким образом, определяется количество метана, которое выделяется из образца в определенные промежутки времени.
Обычно считается, что из угля с более высокой первоначальной газоносностью выделяется в одинаковых промежутках времени большее количество метана, чем из угля с более низкой первоначальной газоносностью. Как правило, наивысшие величины интенсивности десорбции показывает образцы угольной мелочи, извлеченные из скважин с глубины 5-7 м, в то время как уголь из этих же скважин с меньшей или большей глубины показывает, как правило, меньшую интенсивность десорбции.
Метод долговременной десорбции состоит в измерении десорбции в минутных интервалах с общей продолжительностью измерений 21 минут, т.к. оно наиболее приближается к времени начала транспортировки угля в вагонетках.
4. Скорость подвигания линии очистного забоя
При равномерном продвигании забоя по истечении определенного времени от проведения разрезной печи, давление газа в призабойной зоне пласта стабилизируется. Кривая давления газа в пласте становится постоянной.
При значительном продвигании отдельных очистных забоев происходит повышение газовыде-ления как из массива, так и из отбитого угля, вывезенного на поверхность, но в общем балансе это принесет понижение относительной газообильности забоев. Относительная газообильность всего выработанного пространства с увеличением подвигания линии очистного забоя слегка повышает-
ся. Увеличение объема газа, выделяющегося из разрабатываемого пласта объясняется тем, что возрастает количество отбитого за единицу времени угля и более интенсивным выделением метана из только что обнаженного целика продвигающегося забоя.
5. Длина линии очистного забоя
Проверено, что относительная газообильность участка слегка уменьшается с увеличением длины очистного забоя. Понижение относительной газообильности происходит по причине уменьшения га-зовыделения из вышерасположен-ных смежных угольных пластов и забалансовых пропластков. Способ опускания пород в кровле сильно зависит от площади выработанного пространства. Чем больше площадь, тем более равномерно и плавно, без острых деформаций происходит опускание слоев висячего бока. Короткая длина очистного забоя в результате более резких деформаций вмещающих пород обеспечит лучший пропуск метана этими породами из подработанных пластов и про-пластков и из пластов и пропласт-ков лежачего бока. У длинных сплошных забоев с возрастанием длины пропорционально увеличивается количество газа, выделившегося в выработанное пространства. Из этого следует, что должна существовать какая-то оптимальная длина очистного забоя.
С вопросом длины очистного забоя тесно связаны вопросы эффективности дегазации. Дегазационные скважины, пробуренные под углом (пересекающие слои), подвержены на протяжении своей длины деформациям разной интенсивности. Эти деформации вызывают повреждения дегазационных скважин, что понижает продуктивность скважин и уменьшает газовыделение из этой части массива.
Длина очистного забоя с точки зрения выше приведенных сведений должна находиться в пределах 90-130 м. Дальнейшее увеличение длины очистного забоя необходимо, с учетом выделения газа, ком-
пенсировать изменением скорости подвигания линии очистного забоя.
6. Механизация очистных работ
Механизация - применяемая
технология выемки угля в забое, как правило, влияет на куско-ватьсть отбитого угля. При ручной выемки куски угля бывают обычно более крупных размеров, при применении выемочных механизмов происходит чрезмерное размельчение угля и, вследствие этого, увеличение его активной поверхности, что ведет к более быстрому и обильному газовыделе-нию из отбитого угля.
Увеличение газо-обильности объясняется тем, что увеличивается объем газа, выделяющегося из отбитого угля в течение того времени, пока уголь находится в забое.
7. Боковые миграции газов из целиков, ограждающих выемочные штреки
При выемке первого пласта (обычно выше расположенного) оба выемочных штрека соседствуют с нетронутым целиком, который всей своей обнаженной поверхностью выделяет в адекватной степени газ из части пласта, смежной с разрабатываемым очистным забоем (рис. 2а). Следующий очистной забой имеет цельный уголь только со стороны откаточного (рис. 2б) или вентиляционного (рис. 2в) штрека. В этом случае собственная газообильность очистного забоя увеличивается только из одного блока (целика, обнаженного откаточным штреком) особый случай возникнет, если уголь добывается очистным забоем, расположенным между двумя ранее отработанными частями пласта. В этом случае боковая миграция уже не проявляется и газо-выделение происходит только лишь с поверхности пласта в этом очистном забое (рис. 2г). Случай спаренных забоев (рис. 2д) сходен
со схемой (см. рис. 2а), а газовы-деление в забое зависит от степени дренирования промежуточного целика.
8. Взаимное влияние пластов
Взаимное воздействие пластов происходит тогда, когда эксплуатируемый пласт находится над или под выработанным пластом, находящемся от эксплуатируемого пласта на расстоянии меньшем, чем граница зоны воздействия. Это означает, что часть газов уже выделилась из разрабатываемого пласта в выработанные простран-
эксплуатированного пласта. Степень дегазации эксплуатируемого пласта зависит от расстояния пласта до выработанных пластов в лежачем или висячем боку.
Проведение очистных горных работ слоевой выемкой, с точки зрения газообильности, всегда означает максимальное выделение газа при выемке 1-го слоя, при выемке следующих слоев газо-обильность бывает, как правило, меньшей.
Особый случай, часто значительно ухудшающий газовый режим действующего забоя, наступает в том случае, когда в кровле, в зоне воздействия разрабатываемого пласта, находится неотработанный пласт. Влияние такого пласта уменьшается с увеличением рас-
ства выше или ниже лежащего
Рис. 2. Размещение очистных забоев в пласте
стояния между ним и разрабатываемым пластом.
9. Время разработки участка пласта отдельными очистными забоями
Составной частью плана вскрытия и подготовки месторождения к разработке, является регулировка по времени последовательности выемки отдельных очистных забоев в зоне разработки. Решительное влияние на регулировку имеет несколько основных факторов, количество рабочих коллективов, работающих в очистных забоях, производительность транспортного оборудования, емкость вентиляционной струи. Необходимо, чтобы имеющийся вентиляционный поток, характеризующийся объемным количеством воздуха, достаточно разбавил выделяющийся в проветриваемых забоях метан до концентрации 1% объема или при допускаемом исключении - до 1,5%. Этому требованию должна отвечать суммарная длина очистного забоя, которая в сущности ограничена количеством отбитой в забое угольной массы.
10. Шахтная дегазация
Эта деятельность организуется так, чтобы отсасывание метана происходило перед началом выемки угля в забое в течение выемки и некоторое время после окончания работ по добыче угля. Чем эффективнее дегазация, тем меньше газа выделяется в горные выработки и тем меньше газа нужно разбавлять, тем эффективнее вентиляция шахты.
11. Взаимное воздействие горных выработок
С точки зрения газообильности действующие горные выработки находятся под воздействием иных выработок, расположенных как в разных пластах, так в одном и том же пласте.
Горные выработки, расположенные в иных пластах, влияют на га-зообильность горной выработки в добываемом пласте положительно, но они должны быть расположены в зоне влияния горной выработки в добываемом пласте.
Взаимное воздействие горных выработок, расположенных в одном пласте, т.е. в пласте, где ведутся очистные работы, касается смежных очистных забоев, разделенных общим штреком.
Степень взаимного воздействия очистного забоя и его штре-
ков, с точки зрения газового режима, зависит от интервала времени, отделяющего проходку штрека от начала выемочных работ в забое.
Влияние приведенных факторов имеет существенное значение для установления прогноза газо-обильности шахт в зоне очистных работ, главным образом, в проектном варианте, т.е. со значительным опережением во времени.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Байер М. Техника безопасности в горном деле. SNTL Прага, 1979.
2. Мясников А.А. Применение ЭВМ для решения управления мета-новыделением в шахтах. Недра Москва, 1977
3. Прокоп П. Теория безопасного проветривания транспортных путей, экспонируемых метаном, выделяющимся из транспортируемой угольной массы. В сб. 2-ой общегосударственной конференции «Г орная аэрология в науке и практике», АНЧР Острава, 1991.
4. Прокоп П. Проветривание транспортных путей угольных и газовых шахт. В сб. общегосударственного семинара «Проветривание и кли-матизация в глубоких шахтах». Бар-дееб, 1991.
© Павел Прокоп
Павел Прокоп, проф.,
Остравский технический университет, Чешская республика
Рудничные газы в период ликвидации шахт
Введение
С момента своего возникновения горное дело сопровождалось наличием рудничных газов. На шахтах, опасных по газу, наиболее важной примесью шахтной атмосферы является метан, как с точки зрения экономики, так экологии и безопасности. Этот газ можно рассматривать с различных аспектов. Так например, как горючий газ он представляет собой идеальное, с экологической точки зрения «чистое» топливо. Метан и его выделение в шахтах и атмосферу Земли до сих пор рассматривается как
фактор риска, неблагоприятно воздействующий на процессы, проводящие в верхних слоях атмосферы и, вследствие этого, влияющий на изменение климатических условий на земной поверхности. Кроме выше приведенных аспектов, представляет собой метан постоянный потенциал опасности прежде всего в связи с горной деятельностью и даже после ее окончания выделением в горные выработки и на поверхность.
Акцент профилактической деятельности по отношению к
шахтному метану меняется и растет по мере развития горной деятельности и, позднее с погашением шахт и прекращением добычи угля. Средствами борьбы с метаном в шахтах является вентиляция и дегазация.
2. Газовый режим в Остраво-Карвинском угольном бассейне
В настоящее время остравская часть Остравско-Карвинс-ого бассейна после прекращения добычи угля находится в стадии проведения последних работ по ликвидации, т.е. ликвидируются
и перекрываются последние
шахтные стволы, подземные пространства не проветриваются и вследствие прекращения откачки воды затопляются до установленного горизонта, обеспечивающего безопасность действующих шахт в карвинской части ОКБ.
С точки зрения газового режима здесь происходят резкие изменения. С момента начала промышленной добычи угля в Остравской области, что было приблизительно 220 лет тому назад, подземные выработки проветривались. Интенсивность проветривания постепенно повышалась, т.к. этого требовала постоянно возрастающая добыча угля. Вся расширяющаяся область постоянно обеспечивалась депрессией вентиляторов, обеспечивающих рудничную вентиляцию. С внедрением шахтной дегазации значительно увеличилась депрессия в шахте, необходимая для получения дегазированного метана. Возникает новый, до некоторой степени стабилизированный режим рудничного воздухообмена и одновременно с этим возникают псевдо-стабилизированные условия давления рудничного воздуха в шахте. На этой стадии мы разделяем рудничные газы на выделившиеся и дегазированные. Таким образом весь рудничный газ бесперебойно и контролирован-но отводится на поверхность. Этот стабилизированный режим был насильно прерван внезапным прекращением угледобычи в ОКБ, что привело к серьезным с точки зрения метановых эмиссий на поверхность изменениям. Остановка рудничной вентиляции, а также изменения в области шахтной дегазации ведут к понижению и почти что аннулированию депрессии в шахте. Массив горных пород, сложившийся после обрушения, остановка водоотлива и, в первую очередь, необдуманное перекрытие главных горных выработок, являются причиной того, что
рудничные газы вынуждены проникать на земную поверхность путем наименьшего сопротивления. Возникает состояние абсолютно неконтролируемого выхода, когда горные выработки подвержены прямому воздействию и колебаниям барометрического давления. Если в системе вентиляции и дегазации всех шахт бассейна противостояла этому нежелательному влиянию шахтная депрессия, то в новой взаимосвязи массив горных пород гораздо более чувствителен к колебаниям барометрического давления. Чувствительность тем выше, чем ниже разрежение в предметном месте под поверхностью. Знать об этом очень важно для успешной борьбы с угрозой выхода метана из подземных выработок на земную поверхность. Таким образом, к фактору риска метановыделения в горные выработки прибавился новый фактор риска, а именно - опасность выхода метана на поверхность.
3. Место дегазации в современных условиях
При оценке значения и задач современной дегазации необходимо исходить из ряда аспектов, характеризующих рудничный газ. Метан можно рассматривать с точек зрения: экологической, экономической, техники безопасности.
Экологический аспект предъявляет следующие основные требования:
♦ понизить утечки метана на наименьшую возможную величину, имея в виду защиту окружающей среды (атмосферы и климата).
♦ увеличить расход метана как топлива на наибольшую возможную величину, имея в виду защиту окружающей среды от других, менее «экологически чистых» видов топлива, прежде всего от их продуктов сгорания.
Экономический аспект. Несмотря на то, что в настоящее время экономические требования находятся в подчинении у
политических намерений, основное требование экономического восприятия метана как сырья остается в силе. Он может быть изложен простым логическим предложением. Иметь метан решительно лучше, чем не иметь его.
Аспект безопасности. Главные требования, вытекающие из оценки метана с точки зрения безопасности, следующие:
♦ обеспечить безопасность и охрану работников и имущества в шахте.
♦ обеспечить безопасность и охрану работников и имущества во время ликвидации шахт и стволов, которые бы еще оставались и после окончания работ по ликвидации.
♦ обеспечить безопасность и охрану людей и имущества на поверхности в местах, где возможен выход метана, т.е. в местах реальной опасности, связанной с этим выходом.
4. Дегазация
Незаменимая роль дегазации затрагивает все области оценки метана, приведенные выше.
Обратим внимание на то, в какой форме и степени дегазация касается требований, предъявляемых с точки зрения экологии и техники безопасности.
Уменьшение утечек метана в атмосферу касается дегазации. Чем больше газа будет дегазировано из подземных выработок, тем меньше метана будет выделяться в рудничную атмосферу, с которой он потом попадает на поверхность. Для уменьшения утечек метана в атмосферу можно использовать различные виды шахтной дегазации и дегазации, производимой с поверхности шахты. Это может быть, например, дегазация, предшествующая горной деятельности, может быть обычная эксплуатационная дегазация, дегазация старых горных выработок, дегазация угольных пластов или комбинация этих видов и их усовершенствование.
Повышение расхода метана в качестве топлива нельзя обеспе-
чить ничем другим, как правильно выбранным способом или комбинацией способов дегазации, притом не только перед началом горных работ или во время них, но и после окончания таковых.
Обеспечение безопасности и охраны работников и имущества в шахте с точки зрения предупредительных мер борьбы с газом разработано, а благодаря соответствующих установлениям
и, в первую очередь, правил техники безопасности, внедрено и нормально реализуется. Именно шахтная дегазация является тем, без чего невозможно было бы производить проходку определенной части стволов и некоторых участков штреков и невозможно было бы добывать уголь так интенсивно, как это сейчас делается, ибо выделение метана является в большинстве случаев лимитирующим фактором добычи угля. А шахтная дегазация является по своей эффективности одним из немногих активных средств, которые мы можем использовать для управления выделением метана в шахтную атмосферу.
Обеспечение безопасности и охраны работников и средств в период ликвидации шахт и стволов отражает действительность, что с такой крупномасштабной ликвидацией, какая проводится в ОЧБ, наша горная промышленность встречается впервые, при этом опыт таких работ в зарубежье во многих случаях не слиш-
ком показателен, т.к. ликвидация, как правило, происходила в иных условиях.
При резком или постепенном изменении вентиляции (в каждом отдельном случае происходит ликвидация иным способом) дегазация принимает на себя задачу удаления метана из места ликвидации и его окружения. Как показывает опыт засыпки шахтных стволов, будет необходимо в гораздо более широком масштабе впредь применять различные методы управления и удаления метана, которые во многом сводятся к дегазации угольных пластов и выработанных пространств.
Охрана здоровья и жизни людей и охрана имущества на поверхности-это область, которой по сравнению с предыдущими требованиями необходимо уделять все большее и большее внимание. Независимо от того, кому настоящее законодательство предписывает нести расходы, необходимо решать огромный комплекс проблем в техническом отношении и в отношении информирования соответствующей части населения об угрозе метановыделения. Одинаковые правила безопасного выживания действуют как в шахте, так и в помещениях, в которые может попасть метан, выходящий из подземных выработок, независимо от того, расположены ли они под поверхностью (подвальные помещения) или на поверхности (залы и т.п.). И тут дега-
зация остается незаменимым помощником. Существенного понижения выхода метана на поверхность можно добиться определением областей, плоских формаций или отдельных мест, к которым необходимо подвести дегазационную систему с целью создать в подземной части под ними и вблизи них депрессивные зоны, которые бы уменьшали неблагоприятное воздействие падения барометрического давления в атмосфере на поверхности.
5. Заключение
Из опыта, полученного в течение ликвидации в широкомасштабном плане можно наблюдать, что опасность рудничных газов не теряет своего значения в связи с окончанием добычи угля, но наоборот, постепенно начинает проявляться там, где никогда до сих пор не было. Из приведенных сведений, полученных на опыте ликвидации шахт, вытекает, что незаменимым средством в борьбе с газом в новых условиях, возникших при погашении добычи угля, была, есть и будет шахтная дегазация.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Прокоп П.: Gas Capaciti. In Сборник научных работ ВШБ -Технический университет Острава, серия Н-G, № 1, 1996 н.
2. Прокоп П., Драгон В. Дегазация породного массива, ВШБ -Технический университет Острава, 1995 г. ISBN 80-7078-030-4.
© Павел Прокоп
