CC BY
38
УДК 622.272
© Б.Д. Терентьев, Е.С. Ступко, 2004
Б.Д. Терентьев, Е.С. Ступко
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СПОСОБОВ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСООПАСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
Семинар №11
Развитие угольной промышленности в основных угледобывающих странах сопровождается перманентным ухудшением природных условий разработки, связанных с углублением горных работ и ростом опасностей в шахте, что негативно отражается на концентрации и интенсификации производственных процессов добычи угля. Одним из основных природных факторов, негативно влияющих на деятельность угольных шахт, является практически повсеместный рост метаноностности угля и вмещающих пород, с которой непосредственно связаны наиболее опасные проявления сил газового и горного давления - внезапные выбросы угля, газа и породы.
За истекший период с начала регистрации внезапных выбросов угля и газа произошло значительное количество выбросов, повлекших за собой технологические перерывы в добыче, существенное разрушение подземной инфраструктуры шахт, а так же человеческие жертвы.
Интенсивность проявления внезапных выбросов угля, породы и газа по мере углубления горных работ непрерывно возрастает, что связано с увеличением газоносности пластов, газового и горного давления. При этом существенно (в 3-4 раза) возросли нагрузки на очистные забои, темпы проведения подготовительных выработок и производительность труда шахтеров.
В современных рыночных условиях внезапные выбросы как в подготовительных, так и очистных забоях могут привести не только к технологическим перерывам в добыче, но и к весьма существенным экономическим потерям вследствие невыполнения контрактных обязательств и т.п.
В последние годы разработаны несколько эффективных способов контроля и борьбы с этим грозным явлением. Однако, несмотря на широкое внедрение способов борьбы с внезапными выбросами, они про-
должаются, иногда даже при выполнении противовыбросных предприятий. Поэтому, необходимость совершенствования существующих способов и изыскание новых является актуальной проблемой при подземной разработке угольных пластов.
В настоящее время в МГГУ был обобщен имеющийся научный и практический опыт борьбы с внезапными выбросами, и предложены новые решения для снижения возможности возникновения выбросов путем изменения пространственной ориентировки очистных забоев и виброимпульсной обработки выбросоопасных пластов, основанной на искусственном невзрывном воздействии на породный массив низкочастотными сейсмическими волнами. Одними из основных факторов, вызывающих проявление внезапного выброса является горное давление, то есть напряжения, вызываемые в пласте весом вышележащих пород и снижение прочностных характеристик пласта в зонах опорного горного давления в очистных и подготовительных забоях. Поэтому, одним из эффективных решений снижения уровня выбросоопасности является перераспределение повышенного опорного давления в призабойной зоне пласта.
При распределении горного давления, в призабойной части традиционной прямолинейной лавы, опорное давление сосредоточено по всей длине забоя, и воздействует на приграничную область забоя в случае возникновения выбросоопасной ситуации.
Для того чтобы перераспределить горное давление в пространстве и дифференцировать его величину по всей длине забоя, в МГГУ разработаны технологические схемы изменения пространственной ориентировки забоя, позволяющие в различных частях лавы иметь различную величину горного давления. Технологические схемы предусматривают разнесение концевых частей лавы в пространстве и ее центральной части
на величину шага обрушения пород основной кровли. При таком расположении лавы нарастание и обрушение консоли пород основной кровли, происходит не одновременно по всей ее длине, а в различных зонах в различное время, чем достигается эффект уменьшения величины опорного давления и, следовательно, снижение опасности возникновения внезапных выбросов. В соответствии с изложенными положениями в МГГУ были разработаны технологические схемы отработки одиночных выбросоопасных пластов с разворотом лавы по отношению к выемочным штрекам. На что был получен патент РФ №2029867 от 27 февраля 1995 года. Указанный способ был успешно апробирован на поле шахты «Гундоровская» ОАО «Гуковуголь», где были отработаны запасы в количестве более 150000 т на выбросоопасном пласте к1 без проявления внезапных выбросов, что говорит о возможности снижения выбросоопас-ности, путем изменения пространственной ориентировки очистного забоя.
В идеале, с целью снижения выбросо-опасности, технология отработки выбросоопасных угольных пластов осуществлялась бы по технологии с использованием лав
Рис. 1. Схема распреаепения опорного аавления впереаи забоя в павах криволинейной ыормы
криволинейной формы или по круговой схеме (рис. 1, 2).
При разработке технологических схем выемочных участков с лавами криволинейной формы важным является исследование параметров, определяющих их техническую эффективность. Очевидно, что наиболее существенными параметрами очистного забоя, оказывающими доминантное влияние на эффективность его работы, являются: радиус кривизны забоя, направление кривизны линии плоскости угольного забоя по отношению к горному массиву или выработанному пространству (вогнутая или выпуклая) и конфигурация конструкции элементов сопряжения лавы с подготовительной выработкой.
Рассмотрим вопрос обоснования и расчета радиуса кривизны очистного забоя с точки зрения его оптимальности по геомеханическим и геофизическим условиям управления горным давлением в лаве. Примем к сведению, что расстояние между максимумом зоны опережения (при вогнутой по отношению к массиву форме очистного забоя) или максимумом зоны отставания (при выпуклой форме) и проекцией концевых участков лавы на среднюю линию не должно быть более 1,01к, где 1к - шаг посадки основной кровли разрабатываемого пласта. В этом случае обрушение зависающих консолей основной кровли будет происходить не одновременно по всей длине лавы, а участками, по мере удлинения консолей до критической длины. Рассматривать указанное значение более 1,01к (например, 2,0-3,0 1к) не имеет смысла, так как в этом случае обрушение пород основной кровли будет все равно происходить с регулярностью 1,01к, а радиус кривизны лавы будет весьма большим, что практически исключает применение современной очистной техники.
Исходя из этого условия, радиус кривизны лав будем определять как соотношение размеров длины прямолинейного очистного
забоя (хорда), сектора окружности с радиусом, равным радиусу кривизны, и размером шага обрушения основной кровли, равно расстоянию между максимумом кривизны и хордой, полученным по радиусу кривизны:
1 = Г0 = Я ■
(1)
где г0 - шаг обрушения пород основной кровли; Я - радиус кривизны очистного забоя; 1Л - расстояние по нормали между транспортным и вентиляционным штреками.
Преобразуя зависимость (1) в соответствии с данными зависимости шага обрушения основной кровли получим значение радиуса кривизны:
Я =
V
(1 + sin а)е
+1)
(2)
2^У (1 + ъта)е г"‘
Полученное значение радиуса кривизны лавы и известное расстояние между вентиляционным и транспортным штреками позволили получить оптимальную длину очистного забоя криволинейной формы.
Опыт эксплуатации лав криволинейной формы показывает, что имеется ряд недостатков, которые снижают эффективность их работы. В первую очередь необходимо отметить, что еще не создано достаточно надежной специальной техники (скребковых конвейеров), работающих в этих условиях. Возможны два варианта снижения влияния криволинейности на эффективность работы конвейеров:
Первый - создание надежных транспортных конвейеров, обеспечивающих стабильную безотказную работу по криволи-
Рис. 2. Схема отработки выбросоопасного пласта с выемочным воздействием по всей апине павы в зоне отжатого угля: 1 - зона опорного давления; 2 - зона предельного напряженного состояния (отжатого угля)
нейной траектории (выпуклой или вогнутой).
Второй - снижение радиуса кривизны забоя в границах сектора 1,81к<АС<1.01к, где 1к - величина шаг обрушения пород основной кровли;
АС - расстояние по воображаемой срединной линии нормальной плоскости забоя проекции точки лавы, примыкающей к штреку (вентиляционному или откаточному), и точкой в наиболее выпуклой (вогнутой) части очистного забоя.
В настоящее время, такая технология пока неосуществима, но в будущем вполне реализуема так как на наш взгляд при этом опасность появления внезапных выбросов будет минимальна.
Другим перспективным направлением снижения опасности возникновения внезапного выброса является виброимпульсная обработка выбросоопасных пластов основанная на волновом воздействии на угольный пласт. Виброволновая обработка пород с использованием источников сейсмических колебаний относится к невзрывным методам возбуждения импульсов в водной среде, путем использования сжатого воздуха в приборах типа ПГИ. ПГИ монтируется в наклонной или вертикальной скважине, допускающей заполнение ее водой (рис. 3). В зависимости от мощности угольного пласта и расположения горной выработки, скважина бурится по углю или по породе.
Механизм виброволнового, ударного, гидроимпульсного и других динамических воздействий на выбросоопасные угольные пласты можно объяснить рассматривая угольно-породный массив как активную геофизическую среду. Такая среда аккумулирует и высвобождает энергию упругих волн, перестраивает под их действием элементы своей микроструктуры. При прохождении сейсмосигналов и накоплении энергии перераспределяются напряжения, появляются микротрещины, что вызывает излучение сейсмических колебаний. Этим свойст-
к
-0.7
К
к
вом воспользовались для воздействия на выбросоопасные пласты с целью изменения их структуры и напряженного состояния.
Исследование эффективности виброим-пульсной обработки выбросоопасного массива с применением ПГИ было проведено на шахте «Западная» ОАО «Гуковуголь». Шахта «Западная» разрабатывает выбросоопасные угольные пласты 13 и к2н
Установлен радиус эффективного влияния виброскважины при установке вибратора в уголь или во вмещающих породах в непосредственной близости (не более 0,2 м от пласта). Для вибраторов малой мощности (порядка N<10 кВт) он не превышает 1м. Для мощных вибраторов (порядка N>10 кВт) зона разрушения распространяется до 4,5 м. Интенсивность упругих волн для реа-
1. Айруни А. Т. Прогнозирование и предотвращение газодинамических явлений в угольных шахтах. - М.: Недра, 1987.
2. Артемьев В.Б., Терентьев Б.Д., Юзик В.В.
Выбросоопасность и фильтрационные свойства угольных пластов. - Ростов-на-Дону, 2002.
Рис. 3. Установка ПГИ в скважину и подключение к водяному насосу: 1 - собственно источник импульсов давления; 2 - соединитель муфты; 3 -штанги; 4 - гибкий рукав; 5 - вентиль, с установленным на нем манометром 6; 7 - гидронасос (в комплект поставки ПГИ не входит); 8 - перфорированные обсадные трубы с муфтами 9
лизации различных физических процессов в угле оценивается следующими величинами: разрушение - 0,001-1 мм (по амплитуде); дегазация - 0,01-0,1 Вт/см2; пластическая деформация угля - 1 Вт/см2. Вибрационное воздействие на массив наиболее эффективно осуществлять с параметрами: частота 50150 Гц, амплитуда холостого хода 0,5-1,2 мм, статический момент дебаланса вибратора порядка 0,1 Нм.
Результатами шахтных исследований подтверждено, что радиус эффективного воздействия виброимпульсной обработки (ВИО) распространяется вглубь массива на расстояние 6-11 м. Для приведения забоя подготовительной выработки в неопасное по выбросам состояние по результатам работ на шахте «Западная» оказалось достаточным 400-600 импульсов ПГИ с объемом рабочей камеры 1 дм3. Проведение выработок на экспериментальных участках осуществлялось с контролем изменения выбросоопасных свойств пластов 13 и к2н, в результате чего установлено значительное снижение выбросоопасности. Проходка выработок закончена без фиксации -признаков выбросоопасности.
Проведенными исследованиями показано, что изменение ориентировки очистного забоя и перераспределение опорного горного давления в пространстве с последующей виброимпульсной обработкой может существенно снизить выбросоопасность отрабатываемого участка.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Петросян А.Э., Куликов А.П., Васючкова Г.К. Основы теории внезапных выбросов угля, породы и газа. - М.: Недра, 1978.
4. Фрейман Я.Б., Дворейкий Н.М., Белин В.И. О форме линии забоя комплексно-механизированных лав. Уголь, №4, 1973.
— Коротко об авторах-------------------------------------------------------
Терентьев Б.Д. - профессор, доктор технических наук, МГГУ.
Ступко Е.С. - магистрант кафедра «Подземная разработка пластовых месторождений», Московский государственный горный университет.
