Рациональные параметры и схемы управления пылегазовым режимом угольных шахт Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Ю.Д. Смирнов, Ю.В. Шувалов, А.И. Бульбашев, 2008

Ю.Д. Смирнов, Ю.В. Шувалов, А.И. Бульбашев

РАЦИОНАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПЫЛЕГАЗОВЫМ РЕЖИМОМ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

нтенсификация производства, обеспечивающая повышение нагрузки на очистные забои на шахтах, опасных по взрывам газа и пыли (на шахтах Воркуты - 3000 т/сутки на тонких пластах, до 6000 т/сутки на пластах средней мощности и до 9000...10000 т/сутки на мощных пластах), требует существенного увеличения расхода воздуха в очистных и подготовительных выработках, либо повышения эффективности дегазации подрабатываемых и надрабатываемых участков горного массива, активно участвующих (до 80-90 %) в формировании газового баланса участка в т. ч. путем применения рациональных способов управления газовым режимом выемочных участков. Также не исключается появление локальных скоплений и интенсивного пылега-зовыделения в выработки на добычных участках при формировании проницаемых зон за пределами досягаемости скважин в процессе ухода очистного забоя от разрезной выработки на 250300 м и более. В связи с этим, а также остаточной газоносностью дегазированного массива, особенно надрабатываемого, возникает необходимость управления пылегазовыделением в горных выработках, непосредственно примыкающих к очистному забою и проходимых с его опережением [1].

Целью метода является разработка последовательности и порядка выбора и расчёта рациональных параметров и схем управления газовым режимом выработок и выработанного пространства добычных участков угольных шахт с использованием пеногенери-рующих систем, обеспечивающих эффективную и безопасную добычу угля и снижение риска взрывов газа и угольной пыли.

Известные способы защиты, профилактики и снижения вероятности взрывов пылегазовоздушной смеси в выработанном про-

50

странстве и прилегающих к нему выработок закладкой и защитой выработанного пространства [2], заключающийся во взрывании емкостей с быстротвердеющей полимерной расширяющейся жидкостью на основе пенополиуретана в днище выработанного пространства камеры и последующим размещением в ней сухого закладочного материала, и способ [3], основанный на периодической подаче за механизированную крепь в выработанное пространство стабильной пены с заполнением ею пустот между кусками обрушивающейся в неё кровли, которые имеют существенные недостатки: горючесть и концерогенность пенополиуретана, а также использование взрывчатых веществ для получения пенной массы - по первому способу; недостаточно высокая степень защиты от взрывов пыли и газа из-за низкой долговечности и высокой газопроницаемости используемой стабильной пены -для второго способа.

Предлагаемый способ защиты выработанного пространства и выработок добычных участков от взрывов пыли и газа заключается в периодической подаче твердеющей пены различной устойчивости в выработанное пространство с образованием полос вдоль лавы и вдоль вентиляционного штрека (рис. 1): у очистного забоя используется твердеющая пена меньшей устойчивости (т1) по сравнению с устойчивостью пенных полос (т2) у вентиляционного штрека.

Способ осуществляется при разработке угольных пластов длинными очистными забоями с управлением горным давлением полным обрушением пород кровли за крепью при прямоточном проветривании выемочного участка по воздухоподающему штреку 1, очистному забою 2, вентиляционному штреку 3. При этом прохождение воздуха через зону повышенного метановыделения в выработанном пространстве 4 блокируется пенными полосами 5, 6 у очистного забоя 2 и вентиляционного штрека 3 соответственно.

Пенные полосы 5 у очистного забоя 2 формируют периодически на расстоянии Ьшаг между ними, причем это расстояние равно половине длины зоны обрушения основной кровли Ширина пенных полос Ьп равна двукратной мощности отрабатываемого пласта. Устойчивость т1 пенных полос у очистного

51

Рис. 1. Схема пеногенерирующего способа регулирования газового режима добычного участка

забоя равна отношению удвоенного значения фактической длины зоны обрушения основной кровли Б, которую определяют перед запе-ниванием, к скорости подвигания очистного забоя V:

т = —, (сут).

Обычно на угольных шахтах нашей страны длина зоны обрушения основной кровли ^ равна 25.30 м, а скорость подвигания очистного забоя — не превышает 3 м/сут, поэтому устойчивость пенных полос у очистного забоя изменяется от 15...20 суток.

Пенные полосы 6 у вентиляционного штрека 3 формируют постоянно по мере продвижения очистного забоя. Ширина пенных полос Ьз определяется значением, при котором газопроницаемость из зоны интенсивного газовыделения практически отсутствует и определяется опытным путем по стандартным методикам. Устойчивость т2 пенных полос у вентиляционного штрека равна десятикратному отношению удвоенного значения фактической длины зоны обрушения основной кровли которую определяется перед за-пениванием, к скорости подвигания очистного забоя —:

52

20^ ( ) т2 ' ^сут).

Длина зоны обрушения основной кровли ^ изменяется в пределах 25...30 м, а скорость подвигания очистного забоя V не превышает 3 м/сут, поэтому устойчивость пенных полос у вентиляционного штрека варьируется от 150...200 суток.

Определение фактической длины ^ зоны обрушения основной кровли позволяет более надежно определить минимальную устойчивость и параметры пенных полос.

Кафедрой БП и РГП СПГГИ (ТУ) предложен состав для защиты выработанного пространства и профилактики эндогенных пожаров, содержащий пенообразователь на основе «Сульфанол», стабилизатор, отвердитель и воду, согласно изобретению, в качестве стабилизатора используют смолу карбамидоформальдегидную КФ-Ж, отвердитель - «Контакт Петрова» или его аналог и воду, при следующем соотношении компонентных масс, %:

Сульфонол 3.5;

Смола карбамидоформальдегидная КФ-Ж 24.27;

«Контакт Петрова» или его аналог 11.16;

Вода остальное.

Предложенный состав представляет собой долгоживущую пенную смесь высокой кратности, образованную при механическом перемешивании используемых компонентов с использованием стандартных или предложенных ниже пеногенераторов.

Опытами установлено, что полученная пена является практически воздухонепроницаемой, при непосредственном воздействии пламени ее поверхностный слой обугливается, но пламя по поверхности не распространяется. Пена устойчива к воздействию агрессивных шахтных сред, имеет достаточно высокие адгезионные свойства к углю, породе, дереву. Под действием горного давления пена не теряет изоляционных свойств.

В таблице представлены опытные значения аэродинамических свойств твердеющей пены. Наиболее эффективным и экономичным составом для защиты выработанного пространства и профилактики эндогенных пожаров является 3 и 4 Аэродинамические свойства пены

№ Смола Кон- Суль- Н2О, Объем- Воздухо- Сопротивле-

53

карбами-дофор-мальде-гидная КФ-Ж, г такт Петрова, г фонол, г г ный расход воздуха д, 106м3/ч проницаемость образца, с кг/м^ч ние воздухо- проницаемости Я, м^ч^даПа/кг

1 16 21 1 62 216 0,015 65

2 20 17 2 61 298 0,021 47

3 22 15 3 60 342 0,024 41

4 25 12 4 59 360 0,026 39

5 27 10 6 58 520 0,037 27

6 32 5 7 57 935 0,067 15

составы, так как: карбамидоформальдегидная смола КФ-Ж в количестве (24.27 %) в смеси обеспечивает негорючесть и не-взрываемость состава, при этом токсичность её не более допустимых норм; введение в рецептуру смеси отвердителя «Контакт Петрова» в количестве 11.17 % придаёт пене долговечность и воздухонепроницаемость на требуемом уровне 0,024.0,026 кг/м2-ч.

Для осуществления экспериментов была использована лабораторная установка (рис. 2), основным элементом которой являлась цилиндрическая труба 4. В неё помещался исследуемый материал 7, который для предотвращения высыпания удерживался сеткой 5. К установке была подключена воздуходувка 1 с возможностью регулировки скорости поступающего воздуха с помощью реостата 2. Перепад давления измерялся статистическими трубками 6, расположенными по обе стороны исследуемого материала и соединенными с микроманометром ММН по ГОСТ 11161-71 - 3. Всей установке была придана достаточная герметичность. Длина трубы -130 см. Длина сторон основания - 13 см. Мощность слоя пород, засыпанных в трубу - 12 см. [1].

На графике (рис. 3) кривая 7 показывает распределение «при-течек» воздуха А((в из выработанного пространства по длине вентиляционного штрека (Ьштр) без применения пенных полос, кривая 8 - распределение «притечек» воздуха по длине вентиляционного штрека при применении стабильных пен с низкой устойчивостью, кривая 9 - распределение «прите-

54

Рис. 2. Лабораторная установка для определения фильтрационных свойств моделирующих материалов: 1 - воздуходувка; 2 - реостат; 3 - микроманометр; 4 - испытательная труба; 5 - ограждающая сетка; 6 - статические трубки; 7 - исследуемый материал

чек» воздуха по длине вентиляционного штрека при применении твердеющих пенных полос с различной высокой устойчивостью возводимых вдоль лавы и вдоль вентиляционного штрека.

Из графиков следует, что при применении твердеющих пенных полос с различной высокой устойчивостью «притечки»

АОв

55

штр

9

Рис. 3. Распределение притечек воздуха по длине вентиляционного штрека

воздуха (кривая 9) максимально смещаются к призабойному пространству, что обеспечивает наиболее эффективное проветривание призабойной части выработанного пространства, снижение пиковых концентраций метана и изоляцию удалённой части выработанного пространства.

Испытываемая пеногенерирующая система управления газовым режимом (ПГСУРГ) для выработанных пространств добычных участков угольных шахт в общем случае содержит (рис. 4): компрессор 1 с ресивером 2, позволяющий создавать давление до 0,8 МПа, соединенный трубопроводом 3 с распределителем 8 и форсунками 10, ёмкость 4 для хранения веществ смеси, дозатор 5, ёмкость смеситель 6, отградуированная с шагом 1 литр и соединённая трубопроводом 7 с распределителем 8, блоки управления 9, форсунки 10 с диаметром сопла 0,5.2 мм, а также блок 11 крепления распределителя, блоков управления и форсунок.

Стволы-форсунки распылителей пены выполнены в виде пневмогидравлических форсунок с соплами Лаваля с различными диаметрами выходных отверстий. В зависимости от диаметра сопла (рис. 5) возможна регулировка кратности пены (а значит устойчивость пены) и соотношения твёрдое/жидкое.

56

4 5

Рис. 4. Схема установки управления пылегазовым режимом: 1 - компрессор, 2 - ресивер, 3, 7 - трубопровод, 4 - ёмкость для хранения веществ, 5 - дозатор, 6 -ёмкость-смеситель, 8 - распределитель, 9 - блок управления, 10 - форсунка, 11 -крепление распределителя, блока управления и форсунок

Рис. 5. Пневмогидравлическая форсунка с соплами Лаваля различного диаметра

57

Рис. 6. Структура полученной пены

Полученная пена показана на рис. 6. При расходе сжатого воздуха 2,8 м3/мин объём полученной пены кратностью 40 достигал 3.4 м3 на одну форсунку. Плотность пены в полосе составляла 25 кг/м .

Формирование пенных полос с различной устойчивостью у очистного забоя и вентиляционного штрека в выработанном пространстве приводит к практически полной изоляции выработанного пространства от опасных по взрыву газа и пыли, перемещение утечек воздуха к призабойному пространству за пределы зоны высоких концентраций метана, и повышение безопасности угольной шахты. [4]

Использование в способе твердеющих пен с повышенной устойчивостью позволяет практически полностью устранить проникновение опасных по взрыву газа и пыли в горные выработки, вызванное низкой скоростью «слёживаемости» обрушенной породы в выработанном пространстве.

Таким образом, способ повышает защитные свойства выработанного пространства от взрывов пыли и газа за счет управления утечками воздуха в выработанном пространстве введением экономичных, практически газонепроницаемых, экологически безопасных составов твердеющих пен различной устойчивости.

58

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шувалов Ю.В., Павлов И.А., Веселов А.П. Комплексное использование ресурсов и регулирование газового режима шахт Воркутинского месторождения. -Санкт-Петербург: Международная академия наук экологии, безопасности человека и природы. - 2006, 392 с.

2. Цинкер Л.М., Филиппов П.А., Филиппов В.Н. и др., Способ закладки и защиты выработанного пространства при подземной разработке месторождений полезных ископаемых, Патент № 2232900, Бюлл. №7 от 01.07.2002 г.

3. Шувалов Ю.В., Монтиков А.В., Павлов И.А., Попов М.М. Способ предотвращения взрывов газа в выработанном пространстве очистных забоев угольных шахт, Патент № 2203425, Бюлл. №14 от 22.10. 2001.

4. Шувалов Ю.В., Смирнов Ю.Д., Каменский А.А. Безопасность промышленных процессов при подземной и открытой разработке угольных месторождений, Известия Самарского научного Центра РАН. Спец. Выпуск: «Безопасность.'Технологии.Управление» Том.2, изд. «Самарский научный центр РАН», 2007. ЕШ

— Коротко об авторах -

Шувалов Ю.В. - профессор, доктор технических наук, Смирнов Ю.Д. - аспирант,

Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова (технический университет).

Бульбашев А. И. - Генеральный директор ООО «Афанасьевский карьер».

© И.А. Павлов, 2008

59