CC BY
14
УДК 622.836.325.3
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-5-108-116
ДЕГАЗАЦИЯ КРУТОПАДАЮЩИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ (НА ПРИМЕРЕ ШАХТЫ «КРАСНОГОРСКАЯ»)
Геннадий Иванович Кулаков
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории механики горных пород, тел. (383)205-30-30, доп. 188, e-mail: kulakova.38@yandex.ru
Марина Дмитриевна Шарапова
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, младший научный сотрудник лаборатории механики горных пород, тел. (383)205-30-30, доп. 190, e-mail: zinval@rambler.ru
Рассматриваются вопросы дегазации угольных пластов при устаревшей конструкции главных вентиляторов в условиях сложной вентиляционной сети при реконструкции и дальнейшей эксплуатации шахты на основе научных исследований проблемы внезапных выбросов угля и газа и взрывов метана и методов борьбы с этим явлением на основе дегазации угольных пластов. Предусмотрена транспортировка отбитого угля скребковым контейнером к углеспускной трубе, что обеспечивает дополнительный сбор метана из отбитого угля при его транспортировке.
Ключевые слова: угольная шахта, схема проветривания, дегазационная скважина, пластовая дегазация, внезапный выброс угля и газа, взрыв газа метана и угольной пыли.
DEGASSING OF STEEPLY PITCHING COAL SEAMS (ON THE EXAMPLE OF «KRASNOGORSKAYA» MINE)
Gennady I. Kulakov
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, D. Sc., Professor, Chief Researcher, Rock Mechanics Laboratory, phone: (383)205-30-30, extension 188, e-mail: kulakova.38@yandex.ru
Marina D. Sharapova
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Junior Researcher, Rock Mechanics Laboratory, phone: (383)205-30-30, extension 190, e-mail: zinval@rambler.ru
The paper considers degassing of coal seams in case of an outdated design of main fans in a complex ventilation system during reconstruction and further operation of the mine. The research is based on scientific studies on sudden coal and gas outbursts and methane explosions as well as on methods of their controlling by coal seams' degassing. The transportation of the loosened coal by scraper conveyer to a coal drop pipe is provided, ensuring an additional gathering of methane from the coal during the transportation.
Key words: coal mine, ventilation scheme, degassing borehole, in-seam drainage, coal and gas outburst, methane and coal dust explosion.
В работе [1] рассмотрены вопросы дегазации угольных пластов при устаревшей конструкции главных вентиляторов на шахте «Красногорская» ПО «Прокопьевскуголь» в условиях сложной вентиляционной сети при реконструкции и дальнейшей эксплуатации шахты. Был рассмотрен начальный этап дегазации на этапах времени 22.11.07-23.11.07, 24.11.07-26.11.07, 27.11.07 и 11.12.07-20.12.07. На этом этапе шахтой были выполнены следующие объемы необходимых работ по дегазации для запуска работ на шахте по добычи угля. Схема горных работ на шахте «Красногорская» по состоянию на ноябрь 2007 г. приведена на рис. 1 (блок № 1, блок № 2, блок № 3) [2]. Были пробурены: 8 скважин ограждающей дегазации VII подэтажа, 13 скважин XII подэтажабло-ка № 1 и 7 скважин с гидроквершлага № 4 блока № 2. Однако эти объемы работ по дегазации на шахте реально позволили добывать только 480 т угля в сутки за период 11.12.07-20.12.07 [1, 2] (таблица [2]).
Период Число скважин, находящихся в работе, и мест их расположения Средняя концентрация СН4 в смеси, % Средний Средняя добыча угля, т/сут
расход метано-воздушной смеси извлекаемый объем чистого СН4
м3/мин м3/сут м3/мин м3/сут
11.12.0720.12.07 13 скважин XII подэтажа блока № 1 и 7 скважин с гидроквершлага № 4 блока № 2 28,83 25,35 36 504 7,54 10 857 480
21.12.0724.12.07 13 скважин XII подэтажа блока № 1 и 14 скважин с гидроквершлага № 4 блока № 2 34,87 24,77 35 669 8,62 12 413 788
25.12.0704.01.08 13 скважин XII подэтажа блока № 1 и 14 скважин с гидроквершлага № 4 блока № 2. Подключен трубопровод для дегазации выработанного пространства на IV подэтаже 29,34 23,55 3 391 7 10 080 596
На этом этапе руководство холдинга [2] приняло решение приостановить очистные работы до завершения дегазации выемочного участка по пласту III Внутреннему и IV Внутреннему с квершлага № 4. В [2] и соответственно в [1] отмечено: по вопросу дегазации на первом этапе на упомянутом выемочном участке были задействованы 8 скважин ограждающей дегазации VII подэтажа и 13 скважин XII подэтажа. Что и позволило шахте частично начать очистные работы на рассмотренном участке, но добыча 480 т угля в сутки не решала в целом проблему работы шахты (см. таблицу). На выделенном для дегазации участке пласты III Внутренний и IV Внутренний западного крыла шахты залегают под углом 55-60°. Средняя мощность пласта IV Внутреннего 7,7 м, пласта
-5
III Внутреннего 5 м, их природная метаноносность соответственно 18,2 м /т и 19 м3/т.
Со пор
Рис. 1. Схема выемочного участка, разделенного по простиранию на три блока с оставлением между ними профилактических целиков
Блоки № 1, 2 и 3 рассматриваемого выемочного участка вскрывались (рис. 1) [1, 2] подэтажными промквершлагами, проводимыми с пласта II Внутреннего. Каждый блок делится по восстанию пласта на 12 подэтажей. В каждом блоке в первую очередь проводился XII выемочный штрек по пласту IV Внутренний для бурения с него скважин и проведения предварительной дегазации.
Дегазация блока № 3.
Одновременно, при проходке подэтажных штреков бурились опережающие скважины длинной 65-70 м с подэтажных квершлагов по четыре на пласт. При этом две верхние бурились под углом 8-10°, а нижние под углом 3-4°. Схема бурения ограждающих скважин при подготовке каждого подэтажа при-
ведена на рис. 3 [2] и на рис. 2 настоящей статьи. В блоке № 2 общее число скважин 28, по 14 на каждый пласт.
Рис. 2. Схема дегазации пластов III Внутреннего и IV Внутреннего
выемочного участка
На начало очистных работ на VI подэтаже к дегазации были подключены 20 скважин первого блока, пробуренного со штрека XII подэтажа, 7 скважин второго блока, пробуренных с гидроквершлага № 4.
Одновременно на шахте подготовлена вакуум-насосная станция из трех насосов типа ВН-50. В работе находился один насос, остальные в резерве. Магистральные трубопроводы проложены от вакуум-насосной станции до горизонта -150 м (см. рис. 1 в [2]). На горизонте - 150 м трубопроводы проложены по полевым штрекам южного и северного крыльев шахты [2], далее по промежуточным квершлагам до отрабатываемых пластов. Участковые трубопроводы диаметром 150 мм проложены от дегазационных скважин (по 1 и 2 блокам) до магистрального трубопровода диаметром 300 мм [4, 5].
В блоке № 2 дегазационные скважины диаметром 93 мм бурились с гидроквершлага № 4 по пластам III Внутренний и IV Внутренний (рис. 2).Чтобы исключить вынос метана в действующие горные выработки на IV и VI подэтажах по трубопроводу, проложенному через изолирующие перемычки, газ отводился из выработанного пространства в участковый трубопровод (рис. 2 [2]).
Блоки № 1, № 2, № 3. На рис. 1 данной статьи приведены устаревшие схемы дегазации по блокам № 2 и № 3.
Блок № 1. Схема дегазации блока № 1 в [1] приведена в соответствии с [2]. Кратко отметим ее особенности. На рис. 1 - схема блока № 1, включает подэ-тажные штреки IV, V, VI, VII, XII. Остальные поэтажные штреки в пределах блока № 1 не проводились. Запасы угля в пределах IV, V, VI подэтажей отработаны ранее (что показано наклонной штриховой). Через изолирующие перемычки 6, газ отводился из выработанного пространства в участковый трубопровод (рис. 2 [2]).
Рассматриваемая схема [2] предусматривает три группы ограждающих скважин для дегазации угольного массива в блоках для очистной выемки. Но проходка подготовленных штреков, проходимых с подэтажей промквершлагов практически не обеспечены их предварительной дегазацией. Предусмотренная на рис. 3 [2] схемы бурения ограждающих скважин реально обеспечивает дегазацию отработки очистных блоков. Обеспечение дегазации массива впереди проходимых выемочных подэтажных штреков в период их проходки требует дополнительной дегазации в период их проходки. Для этого рекомендуется бурить дегазационные скважины непосредственно из забоев проходимых выемочных штреков в период их проходки. Длина их 15-20 м, диаметр 93 мм. Наличие таких скважин позволит исключить внезапные выбросы угля и газа в период проходки подэтажных выемочных штреков и усилить дегазацию в период очистной выемки отрабатываемых блоков.
На рис. 3 приведена рекомендуемая схема транспортирования отбиваемого угля из очистных забоев, с одновременным отводом воздуха, содержащего газ метан.
Блок № 3. Этот блок в статье [1] только обозначен. Запасы угля в зоне I—II—III—IV—V и VI подэтажей отработаны (штриховка на рис. 1). Поясним этот момент. Шахта из-за перехода на дегазацию все же где-то должна была добывать какое-то количество угля (надо же и зарплату с чего-то платить).
Рис. 3. Схема транспортирования угля и газа метана:
1 - очистной забой; 2 - скребковый конвейер; 3 - участковый дегазационный трубопровод Д 150 мм; 4 - углеспускная труба (600-700 мм); 5 - лестница; 6 - перегородка из плах (2 стенки с дверями для прохода людей); 7 - поток воздуха с метаном 8 - движение транспортируемого угля (-»>); 9 - конвейерный штрек; 10 - вентиляционный штрек; 11 - дегазационный трубопровод Д 60 мм; 12 - дегазационный трубопровод Д 60 мм
Далее в тексте настоящей статьи полагаем, что запасы угля в блоке 3 частично отработаны. Схема блока № 3 построена по аналогии с блоком № 1, но ориентация дегазационных скважин принята согласно блоку № 3 [1]. Учитываем, что подготовленная статья предназначена для ознакомления специалистов и шахтеров с одной из эффективных схем дегазации для угольных шахт Кузбасса.
Результаты дегазации блока № 1, рассмотренные выше, позволили руководству шахты «Красногорская» приступить к частичной отработке запасов в этом блоке. Результаты за период 11.12.07-20.01.08 приведены в таблице [2].
Итог подключенной дегазации в пределах участка 1 - возможность начать добычу угля в значительных объемах (788 + 596 = 1 384 т/сут).
Дополнительно отметим. На рис. 2 использован XII подэтаж по пласту IV Внутреннему: здесь 13 скважин диаметром 93 мм. Это позволило обеспечить добычу 565 т/сут угля.
Проверка условия выполнения дегазации в рассмотренном материале.
Условие обеспечения дегазации, приведенное в работе [3, с. 309-310]. Критерием обеспечения дегазации является превышение метанообильности горных выработок J над метанообильностью 3р, которая снижена до допустимого придела средствами вентиляции (без дегазации):
3 > 3р = 0,бУмахSс, [м3/с], (1)
где Умах - допустимая по ПБ максимальная скорость движения воздуха 5 м/с;
Л
= 5 м - максимальная площадь сечения, свободная для прохождения воздуха, м2;
с - допустимая по ПБ максимальная концентрация метана в исходящей из рассматриваемого участка струе воздуха. Согласно (1) 3р = /(с), т. е. 3 р -функция от с.
Коэффициент эффективности дегазации, при котором обеспечиваются нормальные по фактору газовыделения условие, должен быть не менее
3
Кэф * 1 --Р. (2)
Требуемый коэффициент эффективности дегазации кт определяется по формуле [3]:
кт = 1 - О, (3)
т о
^п
где Q - нагрузка на лаву, допустимая по условиям проветривания без дегазации, т/сут;
оп - планируемая нагрузка на лаву, т/сут.
Для обеспечения нормальных условий работы очистных забоев по фактору газообильности выработок необходимо обеспечить, чтобы фактический коэффициент эффективности дегазации был равен требуемому его значению или превышал его [3]:
Кэф >КГ. (4)
При наличии нескольких источников метана.
Эффективность дегазации каждого источника выделения метана определяется по формуле
С = ^, (5)
где qi, qi - метанообильность выработки, обусловленная выделением метана из данного источника до его дегазации и при проведении дегазации [3].
Исследуя данные таблицы (1), положим 3р = 480 т/сут, 3 = 780 т/сут,
Q = 480 т/сут, —п = 780 т/сут. (Параметры 3р, 3 и Q -—п в рассматриваемом
случае практически одно и то же [3]).
Коэффициент эффективности дегазации, при котором обеспечивается нормальное по факту газовыделения условие, должен быть не менее [2], т. е.
3р
Кэф " 1 .
Но 3 > 3р, кт = 1 - —, откуда кэф > кт , соответственно
Qn
1 - ¿Р > 1- — . (6)
3 —п
На практике до 2010 г. параметр с = 2 % СН4, следовательно: 3р = 30 м3/сек, после 2010 г. параметр с = 1 % СН4, соответственно 3р = 0,15 м3/сек. Здесь 3р вычислено по формуле (1). Вычисляем А*эф по формуле (2),
3 480
— = 1--
3 788
Кэф = 1 -_Р = 1 - 480 = 1 - 0,62 = 0,38.
Выводы:
1. Применительно к условиям группы угольных пластов предложена методика разработки пластовой дегазации. Про проект дегазации группы угольных пластов (в рассматриваемом варианте - крутопадающих пластов) направленный на выполнение правительственных рекомендаций по разработке угольных пластов, залегающих на значительной глубине, где содержание метана существенно увеличивается. В этих условиях учитываются рекомендации по обеспечению безопасной отработки угольных пластов с предварительной их дегазацией до начала строительства новых предприятий по добыче угля [4].
2. Предусмотрено обеспечение на исходящей струе вентиляционной системы строящейся шахты наличие метана 1 % в отличие от ранее принимаемых 2 %.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кулаков Г. И., Шарапова М. Д. Обобщение опыта дегазации угольных пластов // Фундам. и прикл. вопросы горных наук. - 2017. - № 1, Т. 4. - С. 187-192.
2. Дегазация пластов выемочного участка ООО «Шахты «Красногорская» / В. П. Баскаков, И. А. Сальвассер, В. М. Коржов, В. П. Курмашов // Безопасность труда в промышленности. - 2008. - № 12. - С. 36-38.
3. Бурчаков А. С., Гринько Н. К., Черняк И. Л. Процессы подземных горных работ. -М. : Недра, 1976. - 408 с.
4. Инструкция по безопасному ведению горных работ и пластов, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа. - М. : Изд-во ИГД им. А. А. Скочинского, 1989. - 191 с.
5. Рубан А. Д., Забурдяев В. С. Оценка эффективности дегазации разрабатываемых угольных пластов // Уголь. - 2010. - № 11. - С. 8-10.
6. Метан в шахтах и рудниках России: прогноз, извлечение и использование / А. Д. Рубан, В. С. Забурдяев, Г. С. Забурдяев, Н. Г. Матвиенко. - М. : ИПКОН РАН, 2006. - 312 с.
7. Методические рекомендации о порядке дегазации угольных шахт (РД-15-09-2006). Серия 05. Выпуск 14. - М. : ОАО «НТЦ по безопасности в промышленности», 2007. - 256 с.
8. Предпосылки промышленной апробации технологии заблаговременной дегазационной подготовки высокогазоносных угольных пластов в Кузбассе / Л. А. Пучков, С. В. Сла-стунов, А. К. Логинов, Е.П. Ютяев, Е.В. Мазаник. - М. : ГИАБ, тематическое приложение Безопасность. - 2008. - Отдельный выпуск № 6. - С. 255-260.
© Г. И. Кулаков, М. Д. Шарапова, 2018
