CC BY
47
К.С. Кашапов, А.И. Полчин, 2007
УДК 622. 815
С.К. Баймухаметов, К.С. Кашапов, А.И. Полчин
РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ НОВОГО СПОСОБА ПОДГОТОВКИ ОСОБО ВЫБРОСООПАСНОГО МОЩНОГО ПЛАСТА й6 НА ШАХТАХ КАРАГАНДИНСКОГО БАССЕЙНА
1ТЛарагандинский угольный бассейн является одним из наи-V более высокогазоносных в странах СНГ и опасным по внезапным выбросам угля и газа. Статистика показывает, что в Карагандинском угольном бассейне, начиная с 50-ых годов, произошло 136 газодинамических явлений, в том числе 53 внезапных выбросов угля и газа, 27 прорывов газа из почвы выработок с ее динамическим разломом и более 56 внезапных обрушений угля с повышенным газовыделением. С углублением горных работ, с повышением горного и газового давления газодинамическая активность угольных пластов возрастает, увеличивается интенсивность газодинамических явлений.
Наибольшее количество внезапных выбросов угля и газа и газодинамических явлений произошло на пласте ё6.
Мощный пласт ё6 в условиях шахт им. Ленина и "Казахстанская" отнесен к категории особо выбросоопасных. Внезапные выбросы угля и газа, происшедшие на шахте им. Ленина в 1995 и 1998 годы, по объему выделенного метана и угольной пыли являются одними из самых крупных в мировой практике добычи угля. В 1995 году было выброшено 640 т угля и 550 тыс. кубометров метана, в 1998 году соответственно 3250 тонн угля и 1 млн. 300 тыс. кубометров метана. Все это обязывает при проведении горных выработок по пласту ^ выполнять комплекс противовыбросных мероприятий, что увеличивает трудоемкость подготовительных работ и резко снижает темпы проведения горных выработок по верхнему слою пласта ё6.
Одной из особенностей всех угольных пластов Долинской свиты является скачкообразный рост газоносности с определенной
глубины залегания, причем глубина этой зоны различна для одного и того же пласта даже в пределах одного шахтного поля.
Другой важной особенностью, характерной для пласта ё6 До-линской свиты, является наличие в его нижнем слое особо выбросоопасной и препарированной пачки угля мощностью до 1,5 м, при подсечении которой происходит кратковременное обильное (до 40 м3/мин) газовыделение с последующим затуханием в течении 20 секунд.
Препарированная пачка нижнего слоя пласта ё6 представляет собой рыхлую массу угля, коэффициент крепости которой по шкале Протодьяконова составляет 0,25-0,6. Также отсутствали достоверные данные о газоносности этой пачки угля. Скважины, пробуренные в неё, быстро заполняются угольным штыбом. Количество выбрасываемой угольной мелочи может достигать нескольких кубометров даже без подачи бурового снаряда. В ряде случаев, после происшедших внезапных выбросов угля и газа, не удавалось обнаружить характерных полостей выброшенного угля.
Мягкая пачка угля, несмотря на высокую газонасыщенность, обладает очень низкой газопроницаемостью. Это наглядно просматривается в процессе бурения скважин, когда при бурении очередной скважины на расстоянии 1,0-1,5м от предыдущей наблюдается одинаковое по интенсивности газовыделение.
Сложность разработки особо выбросоопасного пласта ё6 состоит в отсутствии защитных пластов, высокой газоносности угля, что нередко приводит к загазированию горных выработок при выполнении противовыбросных мероприятий.
Ранее с целью борьбы с газодинамическими явлениями при проведении выработок по верхнему слою пласта ё6 были испытаны различные варианты бурения разведочных, опережающих и газодренажных скважин, разработаны паспорта противовыбросных мероприятий. При этом на один метр подвигания подготовительного забоя бурят 40-50 м разведочных скважин.
Текущий прогноз выбросоопасности производят по выходу газа и штыба из скважины. При появлении признаков газодинамических явлений, таких как зажим снаряда, повышение газовыделения, выброс штыба и газа, производят бурение дополнительных скважин.
Наличие слабой пачки угля в нижнем слое влияет на длину и скорости бурения. При бурении скважин диаметром 80 мм длина
скважин составляет до 30-40 м, тогда как скважины диаметром 200250 мм бурят длиной до 20 м, в среднем 12-15 м. Попытки бурить скважины большей длины приводят к зажиму бурового снаряда. Прогноз выбросоопасности и выполнение противовыбросных мероприятий приходится повторять через каждые 4 метра подвигания проходческого забоя. В результате темпы проходки выработок по верхнему слою пласта Д6 составляли не более 25-30 метров в месяц. С целью увеличения темпов проходки специалистами Угольного департамента АО "Миттал Стил Темиртау" был модернизирован буровой станок "Старт" с креплением его к стреле проходческого комбайна и совместно с институтом КазНИИБГП разработаны паспорта выполнения противовыбросных мероприятий. В результате темпы проходки возросли и составляют 35-45 м, что по-прежнему значительно ниже темпов подвигания очистного забоя.
Для увеличения скорости проведения выработок по верхнему слою пласта Д6, а, следовательно, снижения времени на подготовку выемочных участков, специалистами Угольного департамента АО "Миттал Стил Темиртау" разработан новый способ подготовки особо выбросоопасного пласта ё6 (предпатент РК №2002/0918.1), сущность которого состоит в следующем. Под пластом на расстоянии 8-12 м по вертикали от почвы пласта под контуром будущей выработки верхнего слоя, проводят полевую выработку. В результате перераспределения напряжения в горном массиве над полевой выработкой создается разгруженная зона. Из полевой выработки с отставанием от забоя на 60-80 м бурят дегазационные скважины в зону будущей выработки верхнего слоя. Скважины бурят кустами по 3-5 штук с перебуриванием пласта до входа скважин в породы кровли. Расстояние между кустами - 4 м. Углы наклона бурения дегазационных скважин определяют из расчета перебуривания контура выработки верхнего слоя в обе стороны на расстоянии до 4 м. Дегазационные скважины подключаются к газопроводу, по которому посредством вакуумной станции производят отсос метана. В результате разгрузки и дегазации создаются благоприятные условия для безопасного проведения выработки по верхнему слою пласта. Это позволяет увеличить темпы её проходки. Разработанный новый способ подготовки выбросоопасного пласта ё6 реализован на шахтах "Казахстанская" и им. Ленина. Пласт Д6 в условиях шахты "Казахстанская" имеет общую мощность 5,4-5,8 м, сложное строение и состоит из 7-8 угольных пачек, разделенных прослоями
аргиллита и углистого аргиллита толщиной до 0,1 м. Коэффициент крепости угольных пачек составляет 1-1,5. В нижнем слое, в 0,7 м от почвы пласта, залегает пачка слабого перетертого угля мощностью до 0,44 м с коэффициентом крепости 0,6. Марка угля пласта Д6 - КЖ, зольность - 24,2 %, влажность - 4,5 %, выход летучих -28,2-29,2 %. Уголь пласта ё6 опасный по газу и пыли, самовозгорающийся, с глубины свыше 350 м пласт Д6 отнесен к категории особо выбросоопасного. Природная газоносность пласта Д6 - 15-24 м3/т угля.
Породы почвы представлены аргиллитами мощностью до 4-6 м прочностью 15-25 МПа и алевролитами темно-серого цвета.
Полевой газодренажный штрек 232 Д6-З проходился сечением в свету 12,8 и 14,4 м2 комбайном 4ПП-2М на глубине 402-434 м. Выработка проходилась в 10 метрах от почвы пласта ё6 по породам крепостью ґ=3,5-5,5. Схема расположения выработки и дегазационных скважин из нее на пласт представлены на рис. 1.
Крепление полевого штрека 232 Д6-З производилось смешанной крепью - металлическими рамами КМП-АЗ с плотностью 1 рама на метр, а между ними устанавливалось 7 анкеров с веерным расположением и длиной 2,4 м. Кровля и бока выработки затягивались металлической профилированной затяжкой ЗМП или металлической сеткой. За 17 месяцев было пройдено 968 м полевого штрека. Средние темпы проведения составили 57 м в месяц.
Из полевого газодренажного штрека 232 ё6-З было пробурено 125 кустов дегазационных скважин. Первые 70 кустов бурили через 4 м, последующие - через 8 м. Объем каптируемого метана из полевого газодренажного штрека 232 ё6-1З за 23 месяца составил 964 тыс. м3. Интенсивность метановыделения в скважины в исследуемой выработке со временем снижается. Извлечение метана на тонну запасов в контуре выработки составил на шахте "Казахстанская" 14-17 м3, что создает условия для безопасного проведения пластовых выработок по верхнему слою. Средняя продуктивность скважин составила около 2 м3/мин, а максимальная до 3,4 м3/мин.
Рис.1
Это позволило проходить пластовые выработки по верхнему слою пласта ё6 без противовыбросных мероприятий, увеличить темпы проведения выработок. Средняя скорость проведения конвейерного промштрека 232 <16-1З составила 117, максимальная - 150 м в месяц.
Для сравнения средние темпы проведения конвейерного промштрека 222 Д6-1З длиной 799 м и выполнением всех противовыб-росных мероприятий составили 26,6 м. Затраты на проведение
промштрека - 88852 тыс. тенге, а затраты на дегазацию - 8343 тыс. тенге. Суммарные затраты - 97195 тыс. тенге.
Затраты на проведение полевого газодренажного штрека 232 ^-З длиной 968 м и конвейерного промштрека 232 ^-1З длиной 820 м составили 84642 тыс. тенге, затраты на дегазацию - 6308 тыс. тенге. Суммарные затраты по новому способу подготовки - 90950 тыс. тенге.
Таким образом, даже при большей длине полевого штрека на 69 м и конвейерного промштрека на 21 м по затратам на проведение и дегазацию новый способ подготовки обеспечил экономический эффект - 6,25 млн. тенге по одному участку или 7,8 тыс. тенге на метр выработки по верхнему слою пласта Д6. При этом не было выявлено опасных значений коэффициента выбросоопасности, а также зон газового скопления, что обеспечило безопасные условия проведения выработки по верхнему слою пласта ё6. Значительным преимуществом нового способа является то, что даже при увеличении объемов проходки общее время подготовки снизилось на 6 месяцев.
Полевой штрек при отработке выемочного участка 232 ^-1З используется как газодренажная выработка, что повышает эффективность работы лавы по газовому фактору.
Полученные положительные результаты на шахте "Казахстанская" позволили рекомендовать новый способ подготовки для внедрения на шахте им. Ленина. Эти рекомендации были использованы при проведении конвейерного бремсберга 3.06 ^-1В. Ранее при проведении конвейерного бремсберга 3.05 <і6-1В протяженностью 350 м было получено 27 опасных значений коэффициента выбро-соопасности, то есть практически через каждые 13 м. И это не смотря на то, что было пробурено 654 газодренажных и разведочных скважин общей длиной 8,3 км или 23,8 м на метр проходки. На выполнение противовыбросных мероприятий была затрачена 201 смена, производилась остановка работ в забое до снижения содержания метана в забое до фонового значения в течение 37 часов. Средние темпы проходки составили 25 м.
Проведение конвейерного бремсберга 3.06 ^-1В осуществлялось с горизонта +120 до отметки ±0 (1-й участок) без проведения полевой выработки, а с отметки ±0 до горизонта -120 (2-й участок) с проведением полевой выработки. Газоносность пласта на первом участке в 1,2-1,5 раза ниже, чем на втором. На первом участке,
протяженностью 585 м, было получено 25 опасных значений. Газо-выделение даже при неопасных значениях прогноза составляло 4,5 до 7,5 литров/мин. На этом участке пробурена 61 разведочная и 548 газодренажных скважин общей длиной 7784 м или 13,3 м на метр подвигания подготовительного забоя. На выполнение противовыб-росных мероприятий было затрачено 154 смены. При бурении скважин из-за высокого газовыделения продолжительность остановки работ составило 6 часов. Средние темпы проходки на 1-ом участке составили 41,8 м.
На втором этапе проходки конвейерного бремсберга 3.06 ^-1В протяженностью 350 м, разгруженному и дегазированному из полевой выработки, газовыделение при неопасных значениях прогноза составляло до 3,5 л/мин. Для целой профилактики были пробурены 24 газодренажных скважин общей длиной 235 м, что составило 0,7 метр на метр подвигания забоя. На выполнение противовыб-росных мероприятий была затрачена всего одна смена. При бурении скважин газовыделения из них не наблюдались. Средние темпы проходки составили 87,5, максимальные - 100 м.
При проведении полевого бремсберга уже за первые три месяца дегазации из него снижение газоносности пласта в контуре будущей выработки составило 15 м3 на тонну запасов угля (см. рис. 2).
Таким образом, опыт применения нового способа подготовки особо выбросоопасного пласта ё6 с проведением полевой газодренажной выработки
под контуром пластовой выработки и дегазацией пласта в этой зоне позволил выявить следующие преимущества:
1. Применение полевой выработки под контуром пластовой позволяет произвести разгрузку углепородного массива, повысить газоотдачу пласта в этой зоне.
2. Дегазация пласта посредством скважин из полевой выработки позволяет снизить газоносность пласта до безопасных значений, в результате возрастает безопасность проведения выработок по верхнему слою пласта ё6.
3. В разгруженной и дегазированной зоне в 3-4 раза возросли темпы проведения выработок по верхнему слою пласта ё6. В результате снизилось время подготовки выработок и выемочных участков.
Съем метл ил сркдстими диаолцим по блогу МИ породного бремсберга 306 ДЬ- в
Сро* липами. сут
Рис. 2
4. Общий экономический эффект от использования нового способа до подготовки на шахте "Казахстанская" составил свыше 7,8 тыс. тенге на метр проходки выработки по верхнему слою пласта d6.
Новый способ подготовки особо выбросоопасного пласта d6 рекомендуется к дальнейшему использованию на шахтах Угольного департамента АО "Миттал Стил Темиртау".
— Коротко об авторах -------------------------------------------------
Баймухаметов С.К. - доктор технических наук, профессор, директор по модернизации и перспективному развитию Угольного департамента «Миттал Стил Темиртау»,
Кашапов К. С. - кандидат технических наук, технический директор Угольного департамента «Миттал Стил Темиртау»,
Полчин А.И. - горный инженер, главный горняк Угольного департамента «Миттал Стил Темиртау».
