Газообильность и нагрузка очистных забоев при высокопроизводительной выемке газоносных угольных пластов Кузбасса Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ГАЗООБИЛЬНОСТЬ И НАГРУЗКА ОЧИСТНЫХ ЗАБОЕВ ПРИ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОЙ ВЫЕМКЕ ГАЗОНОСНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ КУЗБАССА

Ю.С.Воронюк, к.т.н.

Н.И.Устинов, к.т.н.

(ННЦ ГП - ИГД им. А.А.Скочинского)

В настоящее время более 70% шахт России являются опасными по метану, из них 55% - весьма опасными (шахты сверхкатегорные, III категории и выбросоопасные). На них добывается 85% угля. При этом в сравнительно равных горнотехнических условиях в шахтах с метанообильностью 7-10 м3/т добывается угля в 2-3 раза больше, чем в шахтах с метанообильностью 20-60 м3/т, где число остановок угледобывающей техники по причинам метана значительно выше.

В перспективе предусмотрено дальнейшее повышение эффективности угледобычи на базе технического перевооружения шахт и обеспечения их новой высокопроизводительной техникой. Очистные участки должны ежесуточно добывать 2000-3000 т угля, а в отдельных менее метанообильных шахтах - 5000-8000 т. Вопросы обеспечения условий для высокопроизводительной и безопасной работы горной техники на газоносных пластах становятся все более актуальными, поскольку технические возможности средств очистной выемки угля на пологих пластах в 3-4 раза превышают допустимую нагрузку на лаву по газовому фактору.

Нами была предпринята попытка дать оценку возможной производительности очистных забоев при выемке перспективных пологих угольных пластов Кузбасса с различной газоносностью.

Для отработки выемочных столбов приняты три варианта схем с прямоточной схемой проветривания и один вариант с возвратноточной схемой и отсосом газа с помощью установки ВМЦГ-7 (рис. 1,2).

Прогноз метанообильности горных выработок производился в соответствии с нормативными документами [1,2]. Исходя из принятых схем отработки выемочных столбов и схем проветривания выемочных участков нагрузка на очистной забой по газовому фактору будет определяться метановыделением из разрабатываемого пласта, поэтому на данном вопросе следует остановиться несколько подробнее.

При разработке пласта без разделения на слои относительное метановыде-ление из разрабатываемого пласта рассчитывается по формуле

qпл _ кпл(х - х1) + кэ.п(х - х0Х (1)

где кпл - коэффициент, учитывающий влияние системы разработки на ме-тановыделение из пласта; х - природная метаноносность пласта, м3/т;

х1 - остаточная метаноносность угля, выдаваемого за пределы поступающей в лаву вентиляционной струи, м3/т; кэ.п - коэффициент, учитывающий метановыделение из эксплуатационных потерь угля в пределах выемочного участка; х0 - остаточная метаноносность угля, оставляемого в выработанном пространстве в целиках, не вынимаемых пачках и т.д., м3/т. Значение природной газоносности пласта принимается по данным геологической разведки, а остаточная метаноносность х0 определяется в зависимости от выхода летучих веществ по рекомендациям [2]. Для рассматриваемых условий, включающих угольные пласты марок Г,Ж и Д, значение х0 принимается равным 2,0-2,5 м3/т.

Величина остаточной метаноносности угля, выдаваемого за пределы поступающего в лаву воздуха, определяется по формуле

х1 = х(1 - е-п)кь (2)

где к1 - коэффициент, учитывающий долю газа, оставшегося в отбитом угле; п - показатель степени, зависящий от скорости подвигания очистного забоя и степени метаморфизма угля.

Значения величины п определяются по формуле

п = а1Уоч[0,002 (27 - У^ )2 + 1], (3)

где а1 - коэффициент, значения которого для Кузнецкого бассейна принимается равным 0,21.

Уйа£ - выход летучих веществ, м3/т с.б.м.;

Уоч - скорость подвигания очистного забоя, м/сут.

Коэффициент к1 определяется по формуле

к1 = 1 - а2ТД , (4)

где а2, в2 - коэффициенты, характеризующие газоотдачу из отбитого угля;

значения а2 для условий Кузбасса принимаются в зависимости

от выхода летучих веществ по таблице [2], а в2 = 0,25;

Тт - время транспортирования угля с момента отторжения его от массива до выдачи за пределы поступающей в лаву струи воздуха.

Коэффициент, учитывающий влияние системы разработки на метановыде-ление из пласта, вычисляется для каждого выемочного столба по формуле:

1о - 2вз д

кпл = ° 1 зд, (5)

1о

Ширина условного пояса газового дренирования угольного массива взд определяется в соответствии с рекомендациями [2] в зависимости от времени с момента окончания проведения подготовительных выработок до начала очистной выемки и степени метаморфизма угля.

Максимально допустимая нагрузка на очистную выработку по газовому фактору в соответствии с нормативным документом [2] определяется по методике МакНИИ, основанной на эмпирических формулах, составленных на основании обработки фактических данных по относительной метанообильности очистных забоев и выемочных участков, расхода воздуха в лаве и на участке, скорости под-вигания очистных забоев и нагрузкам на лаву. Однако, эти формулы были получены для условий, когда коэффициент машинного времени выемочных машин лишь в отдельных случаях достигал 0,3, скорость подвигания очистных забоев составляла максимум 3-5 м/сутки, а нагрузка на лаву - 2000 т/сутки. Кроме того, эмпирический подход к оценке производительности очистных забоев не позволяет делать экстраполяцию данных до значений, превышающих фактические в 2 - 3 раза. Более приемлемой является методика определения возможной нагрузки на лаву по газовому фактору, основанная на физических представлениях о процессах газовыделения, происходящих во время выемки угля, и позволяющая оценивать производительность лав при коэффициенте машинного времени, равном 0,5 и более, характерном для современных механизированных комплексов [3,4].

Для рассматриваемых условий и принятых схем отработки выемочных столбов газообильность горных выработок, по которой должна рассчитываться допустимая нагрузка на очистную выработку по газовому фактору, определяется газовыделением из разрабатываемого пласта и зависит от длины очистной выработки, скорости подвигания ее, степени измельчения добытого угля, рабочей скорости подачи выемочной машины, времени нахождения угля в лаве и в выработках участка, по которым движется струя воздуха, поступающая в очистной забой, продолжительности выемочного цикла, системы разработки и способа управления кровлей.

Различные сочетания перечисленных показателей могут обусловить одинаковую по величине относительную метанообильность qоч. Варьируя ими, можно определить максимальную по газовому фактору минутную производительность выемочной машины при заданных величинах сечения призабойного пространства фоч, м2), максимально допустимые ПБ скорости движения воздуха в очистной выработке (Утах, м/с) и концентрации метана в исходящей вентиляционной струе

(С,%).

При определении газообильности по газоносности угольных пластов нагрузка на лаву составляет

Аоч = jТм, (6)

где j - производительность выемочной машины, т/мин;

Тм - время работы машины в сутки по добыче, мин.

При коэффициенте машинного времени км>0,5, характерном для современных механизированных комплексов,

0,6VmaxSo рс

max o. р

J =----:-------—, (7)

ko qo

где S^ - расчетная площадь поперечного сечения призабойного пространства очистной выработки, м2; определяется в соответствии с рекомендациями [2], а значение S0H принимается по табл.1; q0H - относительная метанообильность очистной выработки, м3/т; коч - коэффициент, учитывающий долю газовыделения в течение времени по выемке угля к общему газовыделению в течение суток.

Таблица 1

Площадь поперечного сечения призабойных пространств очистных выработок с механизированными крепями

Тип крепи (комплекса) Вынимаемая мощность пласта, м Сечение в свету Sоч, м

1КМТ 1,5-2,1 2,4-3,3

МК 75 Б 1,6-2,2 2,8-4,7

КМ - 700/800 1,3-2,6 2,0-5,2

1КМ-144К 2,1-2,8 4,5-7,1

КМ - 138 1,4-3,2 2,9-5,2

КМ - 130 2,0-3,6 4,5-9,7

2ОКП - 70 2,3-3,5 4,8-6,8

4КМ - 130 2,8-4,1 4,7-8,2

КМ - 142 2,5-4,5 3,8-8,8

КМ - 144 2,0-4,5 3,5-7,0

КМ - 171 2,5-4,7 3,5-8,2

JOY 1,6-3,2 3,5-10,7

JOY 2,8-4,7 4,5-13,3

«Г линик» 1,0-3,4 1,4-6,7

«Фазос» 1,8-3,7 3,1-6,9

«Пиома» 2,4-4,5 3,6-8,8

Значения коч и км определяются по формулам:

k = k

оч м

(Х X1)(1 км)(1 кдег.пл)

qc

км = Тм/1440,

+ 1

(8)

где х - природная метаноносность пласта, м3/т;

х1 - остаточная метаноносность угля при выдаче его за пределы выемочного участка, м3/т.

При этом относительная газообильность лавы определяется по формуле

Чоч qпл(1 - кдег.пл) + кв.п qв.п(1 - kдег.сп), (10)

где qпл и qвп - относительное газовыделение соответственно из разрабатываемого пласта и из выработанного пространства, м3/т; определяется в соответствии с [2];

кдегпл и кдегсп - коэффициенты, учитывающие эффективность дегазации соответственно разрабатываемого пласта и сближенных пластов и выработанных пространств; определяются по рекомендациям [5];

кв.п - коэффициент, учитывающий метановыделение из выработанного пространства в призабойное.

В соответствии с «Руководством...» [2] максимально допустимая по газовому фактору нагрузка на очистную выработку рассчитывается по формуле

А =

ОрАр

1440

л-1,б7,п ^ 194

1,93

А,

(11)

где ор - относительная метанообильность очистной выработки (ооч) или выемочного участка (оуч), м3/т;

Ар - планируемая нагрузка на очистной забой, т/сут;

Qр - расчетное количество воздуха, которое зависит от схемы проветривания выемочного участка, пропускной способности очистной выработки по воздуху и других факторов, м3/мин.

Сопоставительные расчеты, сделанные для условий разработки пластов шахты «Есаульская» по формулам (6) и (11) (табл.2), показали, что нагрузка на лаву определенная по формуле (11), при метанообильности очистного забоя более 5 м3/т в 2-3 раза ниже, чем по формуле (6), а при весьма низкой метанообильности (менее 3 м3/т) получается обратная картина. Это свидетельствует о том, что в условиях газообильных шахт расчеты максимально допустимой нагрузки на механизированный очистной забой по газовому фактору должны вестись по методике, основанной на формуле (6).

По этой методике был составлен прогноз метанообильности очистных забоев и определена допустимая нагрузка на очистную выработку по газовому фактору для перспективных пологих пластов Ленинского района и Южного Кузбасса (табл.3). При принятых схемах отработки выемочных столбов и прямоточных схемах проветривания выемочных участков возможная нагрузка на лаву по газовому фактору будет целиком зависеть от газообильности призабойного пространства, которая в свою очередь определяется газовыделением из разрабатываемого пласта. Поэтому при прогнозе метанообильности определялось относительное ме-тановыделение из разрабатываемого пласта, по которому рассчитывалась максимально допустимая нагрузка на лаву. В тех случаях, когда возможная по газовому

фактору нагрузка на лаву получалась менее 5000 т/сутки, предусматривалась дегазация разрабатываемого пласта и проводился повторный расчет нагрузки на лаву с учетом дегазации пласта с достижимой ныне эффективностью 40% и ожидаемой 50% - если применить новую технологию дегазации с предварительным гидроимпульсным воздействием на угольный массив.

Таблица 3

Возможная нагрузка на лаву по газовому фактору

Шахта Пласт Мощ- ность пласта, м Газо- нос- ность, м3/т Мета-новы-деление из пласта, м3/т Нагрузка на лаву, т/сут

без дегаза- ции с эффективностью дегазации пласта, %

40 50

Схемы 1 и 2

Полосухин- 29а 3,0 8 3,0 3816 6408 7704

ская 30 2,1 10 3,6 2300 3888 4680

Распадская 15 3,0 5 2,8 4680

3-3а 2,1 13 4,6 2448 4104 4968

им. 7 Ноября Надбайкаимский 2,5 5 1,4 6912

Байкаимский 4,5 11 4,7 4320 7200 8640

Комсомолец Бреевский 2,8 14 4,3 2520 4176 5040

Инская Сычевский 2,3 8 2,0 5256 8784 10584

Тонкий 2,0 2 Нет ограничений по газу

Инский 2,3 2

Грамотеинский 2 2,9

Есаульская 29а 2,3 9 2,4 3672 6192 7416

26а 2,1 14 3,9 2160 3600 4392

№ 7 52 4,2 5 2,1 8712

Котинская 52 4,6 7 3,5 5904

Схема 3

Октябрьская Полысаевский 1 2,3 13 2,5 3744 6264 7800

Полысаевский 2 2,9 12 2,4 4752 7920 9504

Комсомолец Толмачевский 2,3 21 4,1 2304 3816 4536

Осинниковс- Е 5 2,8 15 5,0 2160 3520 4248

кая

Инская Безымянный 3,5 2

Наддальний 2,0 2 Нет ограничений по газу

Красноорловс- 2,35 3

кий 2,1 5

Спутник 3,1 1

Красногорский 2,0 5

Колмогоровский

Распадская 10 2,2 15 3,3 2736 4536 5472

Схема 4

Распадская 9 4,3 10 4,5 4248 7056 8496

7-7а 3,9 18 7,7 2160 3600 4320

6-6а 4,5 13 6,1 3312 5544 6624

Из табл. 3 следует, что для обеспечения нагрузки на лаву 5000 т/сут и более необходимо применять дегазацию разрабатываемого пласта с эффективностью 40% (14 шахтопластов или 48% от общего числа принятых к анализу). Необходимо отметить, что в отдельных случаях даже при применении дегазации пласта с эффективностью 40% указанная нагрузка на лаву остается недостижимой, чему способствует или высокая газоносность (15 м3/т и более) или относительно небольшая мощность пласта (менее 3м), не обеспечивающая необходимую пропускную способность по воздуху призабойного пространства лавы. Нужны новые технические средства для гидроразрыва пласта и повышения его газопроницаемости.

Этот анализ свидетельствует также о том, что даже при применении прямоточных схем проветривания с целью создания условий, когда возможная нагрузка на лаву определяется только газовыделением из разрабатываемого пласта, не всегда может быть достижима нагрузка 5000 т/сут и более. Поэтому при выборе технологических схем отработки выемочных столбов нецелесообразно применение классической возвратноточной схемы проветривания с выпуском вентиляционной струи на вентиляционный штрек в целике угля, при которой возможная по газовому фактору нагрузка на очистной забой является наиболее низкой.

Для подтверждения этого тезиса была произведена оценка возможной нагрузки на лаву по газовому фактору для столбовой системы разработки с возвратноточной схемой проветривания на примере шахты «Есаульская». Рассчитывалась нагрузка на лаву без дегазации и с дегазацией разрабатываемого пласта (Кд = 0,40) и выработанного пространства (Кд = 0,60). Результаты расчетов и их сравнение с нагрузкой на лаву для схемы с прямоточной схемой проветривания приведены в табл.2.

Эти данные показывают, что при применении столбовой системы разработки с возвратноточной схемой проветривания нагрузка на лаву даже с применением дегазации разрабатываемого пласта и отсосом газа из выработанного пространства не может превышать 3800 т/сут для пласта 29а и 2380 т/сут для пласта 26а. Кроме этого, необходимо учитывать также возможность образования опасных скоплений метана на сопряжении лавы с вентиляционным штреком.

Таблица 2

Результаты расчетов метанообильности и производительности лав по газовому фактору (шахта «Есаульская»)

Пласт Газоносность, м /т Г азообильность очистного забоя, м3/т Нагрузка на лаву, т/сут

возвратноточная схема проветривания прямоточная схема проветривания возвратноточная схема проветривания прямоточная схема проветривания

без дегазации с дегазацией без дегазации с дегазацией без дегазации с дегазацией без дегазации с дегазацией

по формуле (6) по формуле (11) по формуле (6) по формуле (11) по формуле (6) по формуле (11) по формуле (6) по формуле (11)

29а 9,0 7,5 3,6 2,4 1,4 1800 928 3816 3410 3672 4770 6192 11515

26а 14,0 11,5 5,6 3,9 2,3 1152 311 2376 1453 2160 1940 3600 4626