CC BY
23
этом разгрузка угольного пласта от опорного давления составит не более 5 %.
— Коротко об авторах ----------------------------------------
Баклашов И.В., Коликов К.С. - Московский государственный горный университет,
Бокарев Л.Р. - УД АО «Миттал Стил Темиртау».
© м.а. Перзадаев, К.С. ииша
С.К. Баймухаметов, А.И. Полчин, Д.Ж. Мухамеджанов, 2007
УДК 622.815
М.А. Перзадаев, К. С. Кашапов, С.К. Баймухаметов,
А.И. Полчин, Д.Ж. Мухамеджанов
РАЗРАБОТКА И ПОДБОР НАИБОЛЕЕ БЕЗОПАСНОЙ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЕМ ПРИ ОТРАБОТКЕ ВЫЕМОЧНОГО УЧАСТКА 32 К10-Ю НА ШАХТЕ «АБАЙСКАЯ» УГОЛЬНОГО ДЕПАРТАМЕНТА АО «МИТТАЛ СТИЛ ТЕМИРТАУ»
Основное направление технической политики развития шахтного фонда подземной добычи угля идет по пути концентрации производства за счет применения современных высокопроизводительных механизированных комплексов с производительностью более 5000 т в сутки (2000 т и более в смену).
Поддержание стабильно высокой нагрузки на очистной забой не возможно без применения различных способов управления ме-тановыделением.
Угольные пласты Карагандинского бассейна отличаются высокой метаноносностью, которая увеличивается с глубиной. Поэтому при их отработке выделяется в шахтную атмосферу значительное количество газа метана, что создает дополнительную опасность и ухудшение условий труда. В целях обеспечения безопасности работ и соблюдения допустимого уровня содержания метана в исходящей струе выемочного участка наряду с вентиляцией применяется комплексная дегазация.
Комплексная дегазация включает в себя: различные способы дегазации неразгруженных от горного давления угольных пластов, сближенных угольных пластов и вмещающих пород, а также выработанного пространства, но при применение комплексной дегазации бывают случаи, когда не удается достич ожидаемого результата, поскольку эффективность применяемых способов не достаточна. Остаются высокими и затраты на проведение дегазационных работ. Все это заставляет вести поиски по совершенствованию существующих и разработки новых, более эффективных способов.
В последнее время на шахтах Угольного департамента получил развитие восходящий порядок отработки угольных пластов. Одной из основных целей такого порядка отработки является заблаговременная дегазационная подготовка вышележащего мощного метаноносного пласта К12.
Рассмотрим на примере отработки выемочного участка 32 К10-ю на шахте «Абайская» применение комплексной дегазации при подработке пласта К12.
Выемочный участок 32 К10-ю расположен на южном крыле шахтного поля между конвейерным уклоном пл.К10 гор.±0 и взбросом №19.
Первичный шаг обрушения - 36 м, в последующем - 19 м.
Пласт К10 сложного строения, состоит из 10-14 пачек полу-блестящего угля, разделенных прослоями аргиллита мощностью
0,01 до 0,45 м. Рабочая мощность пласта 4,45 м, полезная 4,06 м, вынимаемая составляет - 3,9 м. Углы падения не выдержаны и колеблются от 10 до 23 градусов. При отработке лавы предусмотрено оставление защитной пачки угля в кровле мощностью 0,3 м.
Плановая зольность добываемой горной массы составляет 31,0
%.
Пласт К10 опасен по пыли и газу, склонен к самовозгоранию. Природная метаноносность пласта составляет 25,7 м3/т.
Основная кровля пласта - песчаник серый, мелозернистый, массивный, крепкий, устойчивый, трудно обрушаемый мощностью 25,3 м (о сжатая - 640-750 кг/см2) Непосредственная кровля пласта: аргиллит темно-серый, слоистый, трещиноватый, средней крепости до слабого (о сжатия - 250 кг/см2) мощностью 5,0-8,8 м, легко обру-шаемый.
Непосредственная почва: аргиллит, алевролит средней крепости (о сжатия - 400 кг/см2), устойчивые, на контакте с пластом прослой углистого аргиллита мощностью 0,2-0,4 м.
При проектировании отработки выемочного участка 32 К10-ю на шахте «Абайская» управление метановыделением рассматривалось в два этапа.
Схема управления метановыделением на первом этапе отработке приведена на рис. 1.
На первом этапе при суточной нагрузке на очистной забой 3600 т метанообильность составляла (см. табл. 1).
Рис. 1
Таблица 1
Способы извлечения метана Съем метана, м3/мин Коэффициент эффективности дегазации проект/факт
смесь Qсмеси, м3/мин проект концентрация К, % проект чистый метан, д сн4, м3/мин проект/факт
Нагрузка на очистной забой 3600/4510
Вентиляция 39,8/75,9 0,34/0,51
Исходящая участка Изолированный отвод метана за счет общешахтной депрессии 2200,0 200,0 0,9 10,0 19,8/20,9 20,0/55,0 0,17/0,14 0,17/0,37
Дегазация 76,6/74,2 0,66/0,49
1.Вертикальные 90,0 57,0 51,3/34,2 0,44/0,23
скважины
2.Купола обрушения 7,5 20,0 1,5/0,0 0,01/0,0
3.Из-за перемычки на
вентиляционном 85,0 25,0 21,3/36,2 0,18/0,24
штреке
4.Предварительная 17,0 10,0 1,70/2,1 0,01/0,01
пластовая
5.Передовая пластовая 8,0 10,0 0,80/1,8 0,007/0,01
Общая метано- 116,4/
обильность участка 150,1
Примечание: В числителе приведены расчетные значения, в знаменателе фактические значения.
Метановый баланс выемочного участка складывается из двух основных составляющих: разрабатываемого пласта в очистном забое (10-15 %) и выработанного пространства (85-90 %)
Как видно из таблицы фактическая метанообильность при нагрузке 4510 превысила проектные данные на 29 %. В соответствии с расчетными данными (на основании действующего Руководства по дегазации) основной съем метана должен был приходиться на вертикальные скважины (51,3 м3/мин или 44 % от общей метано-обильности участка), однако фактический съем метана вертикальными скважинами составил только 34,2 м3/мин или 23 %.
Основной съем метана пришелся на изолированный отвод метана за счет общешахтной депрессии и дегазации (по газопроводу диаметром 325 мм по магистральной скважине 325 мм на 3 ПВНС с 4-мя вакуумнасосами НВ-50) из-за изоляционной перемычки №719, расположенной на вентиляционном штреке 32 К10-ю, общий съем из-за которой составил 91,2 м3/мин или 61 % от общей метанообильности выемочного участка.
Метановыделение из разрабатываемого пласта составило 14 %, то есть соответствовало расчетному. Для дегазации разрабатываемого пласта применялась пластовая дегазация: предварительная восстающими скважинами, пробуренными с конвейерного штрека 32 К10-ю, расстояние между которыми составляло 8 м и длиной 120-140 м, срок дегазации составлял 360 суток и передовая нисходящими скважинами, пробуренными с вентиляционного штрека 32 К10-ю, расстояние между которыми составляло 2 м и длиной 100120 м. Как показала практика наиболее эффективно работали скважины передовой дегазации на расстоянии 10 м от лавы (в зоне
опорного давления впереди линии очистного забоя), съем которых составлял до 1,8-2,5 м3/мин.
При данной схеме управления метановыделением для недопущения загазирований ежедневно приостанавливались работы в лаве для ее проветривания (простои составляли от 1 часа 30 минут до 2х часов 30 минут). К тому же недостатком данной схемы по южному вентиляционному штреку К9 концентрация метана достигала 2,5-4,0 %. (Ограничение съема метана средствами дегазации из-за изоляционной перемычки №719 являлось наличие одной магистральной скважины диаметром 325 мм и одной ниткой газопровода диаметром 325 мм).
При отходе лавы от монтажной камеры на расстояние 174 метра (21 мая 2006 года) перестал работать изолированный отвод метана за счет общешахтной депрессии (причины: затопление или завал вентиляционного штрека 32 К10-ю южнее линии очистного забоя).
В результате чего была снижена нагрузка на очистной забой до 2500 т и дополнительно были предусмотрены следующие виды управления метановыделением:
- дополнительно проложена нитка газопровода диаметром 273 мм для подключения дегазации непосредственно верхнего «кутка» лавы;
- с вентиляционного штрека была пройдена ниша для бурения скважин в купола обрушения, из которой было пробурено 8 скважин длиной от 28 до 53 м;
- дополнительно для исключения подсосов свежего воздуха в выработанное пространство и дренирования метана перемычка, расположенная на сбойке №3 с конвейерного штрека 32 К10-ю на южный полевой конвейерный штрек Ki0 гор.±0 была поставлена на «выдачу» (съем метана за счет общешахтной депрессии составляет до 3,5 м3/мин).
Все вышеперечисленные меры позволили увеличить нагрузку на лаву до 3000-3500 т в сутки, однако при этом ежедневно приходилось приостанавливать работу в лаве для недопущения загазиро-ваний как на исходящей струе, так и верхнего сопряжения лавы с вентиляционным штреком (верхний «куток»). Недостатком данного способа дегазации выработанного пространства изолированного отвода метана является большое расстояние от лавы до изоляционной перемычки, возведенной на вентиляционном штреке 32 К10-ю.
Учитывая, что на первом этапе при применении вертикальных скважин, пробуренных с поверхности не достигнут должный эффект, то на втором этапе был предусмотрен дополнительный способ дегазации через газодренажную выработку, пройденную по пласту Кц (на расстоянии 35-42 м от разрабатываемого пласта (рис. 2).
17 июня 2006 года забой лавы пересек линию тупика газодренажного штрека, пройденного по пласту К11.
Первоначальный съем метана газодренажным штреком составлял от 5,0 до 15,0 м3/мин. Вакуум на перемычке составлял до
130 мм рт.ст.
Рис. 2
Для увеличения съема газовоздушной смеси с вентиляционного штрека дополнительно пробурено 5 скважин диаметром 130 мм через 8 м. После пересечения лавой линии тупика газодренажного штрека на расстоянии 80 м съем метана увеличился до 45-57 м3/мин, содержание метана на исходящей струе стабилизировалось, в результате чего с 20 июля 2006 года лава работает без приостановок на ее проветривание. Несмотря на то, что эффективность дегазации данного способа составила 50-60 % и позволило снизить концентрацию метана в лаве и на исходящей участка на 0,2-0,3 %,
однако на расстоянии 3-4 м от сопряжения лавы с вентиляционным штреком при нахождении комбайна на верхних секциях (150 и выше) составляет до 3-4 %.
Вероятно, место заложения газодренажной выработки по пласту К11 было произведено без учета закономерностей сдвижения и нарушенности пород подрабатываемого массива.
Метанообильность на втором этапе при суточной нагрузке на очистной забой 4600 т составила (см. табл. 2).
На этом этапе при проектировании предусматривалось, что для дегазации изолированного отвода метана в газодренажном штреке К11 использование одной магистральной скважины Таблица 2
Способы извлечения метана Съем метана, м3/мин Коэффициент эффективности дегазации проект/факт
смесь Qсмеси, м3/мин проект концентрация К, % проект чистый метан, д сн4, м3/мин проект/факт
Нагрузка на очистной забой 4600/4250
Вентиляция 44,8/23,0 0,34/0,18
Исходящая участка 2200,0 0,9 19,8/19,5 0,15/0,15
Изолированный отвод метана за счет общешахтной депрессии перемычка №719 100,0 5,0 5,0/0,0 0,04/0,0
Перемычка №721 200 10,0 20,0/0,0 0,15/0,0
7. Из-за перемычки на сбойке №3 100 3,5 -/3,5 -/0,03
Дегазация 87,8/107,5 0,66/0,49
1. Вертикальные скважины 90,0 57,0 51,3/34,3 0,39/0,26
2. Из-за перемычки на вентиляционном штреке №719 80,0 5,0 4,0/12,5 0,03/0,10
3. Из-за перемычки на газодренажном штреке К11 111,0 52,0 30,0/57,8 0,23/0,44
4. Предварительная пластовая 17,0 10,0 1,70/0,0 0,01/0,00
5. Передовая пластовая 8,0 10,0 0,80/1,0 0,006/0,007
6. Перфорация 48,4 1,9 -/0,01
верхнего «кутка»
Общая метано-обильность участка 132,6/ 130,5
диаметром 325 мм, одной нитки газопровода диаметром 325 мм и 4-х вакуум насосов НВ-50. Однако результаты расчета, учитывая фактическое метановыделение из подрабатываемого пласта К12 показали, что дебит метана из подрабатываемого пласта К12 зависит от его площади активной газоотдачи 8, его природной метано-обильности ХК12, остаточной метанообильности Хо и определяется по формуле:
Чен4 = Я/т'(Хкп - Хо), м?>/т (1)
где у' - объемная масса (т/м3) пласта К12; т' - мощность пласта К12,
м.
Область активной газоотодачи пласта К12 определяется границами влияния подработки и рассчитывается по формуле:
^ = [1оч - 2МсЛ (90 -в)\Уоч, м2 (2)
где Мсп - расстояние по нормали между разрабатываемом и подрабатываемом пластами, м; 1оч - длина очистного забоя, м; 0 - угол разгрузки пласта, град.; Уоч. - суточное подвигание очистного забоя, м/сут
Остаточная газоносность пласта К12 после его подработки определяется по формуле:
ХО = Х0 + ( -Ха)-^ (3)
пр
где Япр - предельное расстояние между разрабатываемым и подрабатываемым пластами, при котором метановыделение из последнего равно нулю, м.
Используя формулы 2 и 3 окончательно формула (1) будет представлена в виде:
а = V у'т’
Ч.оч очі
(X п - X0)-(X си - X0)
Ма
я.
(Я (90 -в)
, М / т
или
а = V у'т'
±оч оч/
1 -
М„,
я.
I., - 2М„
(Я (90 -в)
, м3 / т
пр
В соответствии с проведенными расчетами фактическое мета-новыделение из подрабатываемого пласта К12 показало, что для дегазации изолированного отвода метана в газодренажном штреке К11 необходимо увеличить съем метановоздушной смеси и было принято решение о прокладке магистрального газопровода диаметром 402 мм от перемычки №719, расположенной на газодренажном штреке до магистральной скважины диаметром 500 мм и строительство новой вакуумнасосной станции на 10 насосов типа НВ-50 (для чего были выделены инвестиционные средства).
Для устранения недопустимой концентрации метана в верхнем «кутке» и за секциями при добыче 5000 т и более в сутки (2000 т в смену) в мае 2006 года было принято решение проходки дренажной сбойки с южного вентиляционного штрека К9 гор.+125 на вентиляционный штрек 32 К10-ю с подключением его к дегазационному газопроводу диаметром 325 мм и к отдельной магистральной скважине диаметром 325 мм к ВНС на 3 насоса НВ-50.
Учитывая, что выработанное пространство имеет две характерные зоны по простиранию пласта по съему метана:
1- зона активного смещения пород, распространяющаяся от линии очистного забоя в сторону выработанного пространства (обрушение пород непосредственной, а затем и основной кровли, образование и обрушение блоков пород, частичное уплотнение пород в зоне беспорядочного обрушения).
2- зона стабилизации (наибольшая протяженность и незначительные величины смещения горных пород.
Так и на практике при отходе лавы от монтажной камеры на расстоянии более 200 м съем метана из-за перемычки, установленной на вентиляционном штреке 32 К10-ю стабилизировался и составлял 10-12 м3/мин (при концентрации 14-15 %), при отключении от дегазации данной перемычки нарушался газовый баланс выработанного пространства и уже через 2-е суток повышалась концентрация метана на сопряжении вентиляционного штрека с лавой (верхний "куток") на 0,2-0,5 %, поэтому для эффективной работы газодренажной сбойки необходимо предусматривать дополнительные сбойки, расстояние между которыми рассчитывается по формуле (см. рис. 3):
1 (13,6Итр -К)Сх ¥ЛсР
1сб =—22-------------------- 26?, м (4)
22сб (Скут - С2)2 0,0035 х т*65
где Скут - концентрация метана у сопряжения лавы с вентиляционной выработкой (в кутке),%, находится по формуле
84,7 х / х 52
— -—— +со , % (5)
С =
Х^кут
т
Є. (1 - ^м)
е.пр Х^учу
где Ьпер. - разряжение в газопроводе у сбойки, мм.рт.ст.; Ь1 - узловая депрессия у сопряжения лавы с вентиляционным штреком;
л.ср. - среднемесячное подвигание лавы, м/мес; Qcб. - суммарный расход м.в.с. при различных способах отвода метана из рабочей сбойки, м3/мин; тв - вынимаемая полезная мощность пласта, м; 1ВП - среднее фактическое(ожидаемое)
Рис. 3
метановыделение из выработанного пространства, м3/мин; 8оч. -площадь поперечного сечения лавы, м2; твпр. - вынимаемая мощность пласта с учетом породных прослоек, м; Qуч. - расход воздуха на участке, м3/мин; V оч. - скорость подвигания очистного забоя, м/сут; С0 - концентрация метана в поступающей на участок струе воздуха, %
Узловая депрессия Ь1 у сопряжения лавы с вентиляционной выработкой определяется после расчета естественного распределения воздуха по сети, смоделированной на период отработки лавы.
Как показывают расчеты и практика, оптимальное расстояние между сбойками должно составлять не более 80 м.
Таким образом, применение всех дополнительных мер по управлению метановыделением на выемочном участке при метанообильности более 150 м3/мин позволит увеличить нагрузку на очистной забой более 5000 т в сутки, при этом обеспечивая безопасные условия по газовому фактору.
Учитывая все вышеизложенное можно сделать определенные выводы:
1. До начала отработки лавы необходимо произвести расчеты на ПЭВМ и определить оптимальную (наиболее безопасную) схему управления метановыделением выемочного участка.
2. Для обеспечения эффективности дегазации необходимо предусмотреть реконструкцию дегазационной сети (увеличение диаметра магистральных скважин и дегазационных газопроводов), строительство вакуум-насосных станций на большее количество насосов (до 10 штук).
3. Для эффективной работы газодренажного штрека его расположение должно намечаться в пределах рациональной зоны по фактору нарушенности слоев пород с учетом общей схемы дегазации, возможности использования газодренажной выработки при отработки подрабатываемого пласта.
— Коротко об авторах --------------------------------------------
Перзадаев М.А. - доктор технических наук, профессор, исполнительный директор,
Кашапов К.С. - кандидат технических наук, технический директор, Баймухаметов С.К. - доктор технических наук, профессор, директор по модернизации и перспективному развитию,
Полчин А.И. - горный инженер, главный горняк,
Мухамеджанов Д.Ж. - горный инженер, директор шахты «Абайская», Угольный департамент «Миттал Стил Темиртау».
