CC BY
27
------------------------------------------ © И.Е. Колесниченко, 2004
УДК 622.333
И.Е. Колесниченко
ТЕХНОЛОГИЯ ИНТЕНСИВНОЙ И БЕЗОПАСНОЙ ВЫЕМКИ МЕТАНОНОСНЫХ ПЛАСТОВ УГЛЯ
Семинар № 11
¥ ¥ аиболее перспективными для даль-
■Л-М. нейшего развития угольной промышленности России являются Кузнецкий, Печорский и Южно-Якутский угольные бассейны. Однако в этих бассейнах значительную долю составляют метаноносные пласты ценных коксующихся марок угля. Одним из основных факторов, значительно уменьшающих возможность на таких пластах увеличения нагрузки на забой за счет применения высокопроизводительных добычных комбайнов, является газовый фактор. Опасность разработки метаноносных пластов заключается в образовании локальных повышенных концентраций, в возгорании и взрывах метана в выработанном пространстве лав с последующим выгоранием горных выработок выемочного участка.
В последние годы на шахтах Кузнецкого и Печорского бассейнов на пологих пластах применяют отечественные выемочные комплексы третьего поколения КМ138, КМ142, КМ144, КМ-145, УКП-5, МК-85Б, КМК-700/800. В 1996 г. средняя нагрузка в Кузбассе на очистной забой, оборудованный комплексом КМК-700/800 на пластах мощностью 2,6 м, составляла 2256 т/сут, а в Печорском бассейне на такой же мощности - 1239 т/сут. В лавах, оборудованных комплексом КМ-142 в Кузбассе, на пласте мощностью 4,3 м средняя нагрузка на лаву составила 2400 т/сут. Для увеличения нагрузки на очистной забой в наиболее благоприятных горногеологических условиях применяют зарубежную выемочную технику фирм «Джой» (США), ДБТ (Германия) и «Фа-мур» (Польша). В зарубежных комбайнах нового технического уровня увеличена энергоемкость, рабочая скорость увеличена до 15-20 м/мин, ширина захвата - до 0,8 м. Ширина става новых конвейеров, работающих с высокопроизводительными комбайнами, равна 1132 мм, а скорость перемещения отбитого угля -1,8 м/с. Расчетная производительность очистных комплексов достигает 4200-4500 т в сме-
ну. В 2003 г. в ОАО «Шахта Распадская» суточная добыча из лавы на пласте №10 мощностью более 4 м превысила 20 тыс.т в сутки. На шахтах «Котинская», им. Кирова и ОАО « Шахта Есаульская» нагрузка на забой доходила соответственно до 12000 и 5000 т/сут.
Одним из факторов снижения себестоимости угля и реализации возможностей высокопроизводительной выемочной техники на метаноносных пластах угля является увеличение длины лавы. Однако на практике очистные забои отрабатывают длиной от 100 до 350 м и более. В Кузбассе и Печорском бассейне средняя длина лавы, оборудованная комплексом КМК700/800, составляет соответственно 200 и 120 м, а лав, оборудованных комплексами КМ-138, составляет 180 м.
При разработке метаноносных пластов на шахтах применяют систему разработки длинными столбами, подготовку столбов осуществляют одинарными пластовыми или парными выработками с оставлением целиков угля.
На шахтах России для проветривания 193 выемочных участков применяли более 20 различных схем. Из них основными были 6 схем. На 87 участках применяли возвратноточную схему проветривания 1-М-Н-в-вт с газодренажной выработкой, в том числе в Кузбассе -на 68 ив шахтах Челябинского буроугольного месторождения - на 13 участках. Также на 19 участках в Кузбассе применяли схему 1-К-Н-в-вт. В Печорском бассейне в основном применяют схему 3-В-Н-н-пт.
Для уменьшения поступления метана в шахтную атмосферу на 3 из 80 выемочных участков Прокопьевского и Кемеровского районов Кузбасса применяют дегазацию выработанного пространства. Дегазацию выработанного пространства и отвод газовоздушной смеси из выработанного по газопроводу при помощи вентилятора ВМЦГ-7 для разбавления свежей струей воздуха применяется в Новокузнецком и Кемеровском районах Кузбасса на 25 участ-
Рис. 1. Роль производственной безопасности в обеспечении рентабельности разработки метаноносных пластов угля
ках из 70. Для дегазации выработанного пространства также применяют отсос метановоздушной смеси вентиляторами ВМЦГ-7 через специальные скважины, пробуренные с поверхности.
Несмотря на применяемые способы обеспечения безопасности по газовому фактору, с 01.01.99 по 31.10.03 гг. в шахтах Кузбасса, Печорского бассейна и Урала произошло 32 взрыва метановоздушной смеси, в том числе в Кузбассе - 27. Взрывы метановоздушной смеси в выработанном пространстве лав произошли в 4 шахтах. В Печорском бассейне произошло 2 взрыва на шахтах «Комсомольская» и «Ворку-тинская» при прямоточной схеме проветривания с подсвежением исходящей струи из лавы. В Кузбассе взрыв произошел в ЗАО «Шахта Антоновская» (на базе участка «Антоновский-2» шахты «Полосухинская») в лаве 30-29. Лава 30-29 была оборудована комплексом 20КП-70 с комбайном 1КШЭ и лавным конвейером «Анжера-26». Длина лавы 100 м, мощность пласта 3,4 м, угол падения 9°. Схема проветривания лавы возвратноточная с восходящим направлением движения воздуха по лаве. В лаву подавалось за счет общешахтной депрессии 215 м3/мин воздуха. Около 20 м3/мин воздуха в виде утечек уходило во фланговую выработку через выработанное пространство через перемычки.
Взрыв метана произошел в выработанном пространстве лавы в результате накопления взрывоопасной концентрации метана. Взрывом разрушена перемычка №3136. Ожоги средней тяжести получили 9 чел. После взрыва в выработанном пространстве продолжалось горение метана. За перемычкой сбойки №310, связывающей выработанное пространство в районе вентиляционного штрека лавы 30-29 с фланговой выработкой, концентрация метана была 59 %.
Основной причиной взрывов метана и неэффективного использования высокопроизводительных комплексов является неэффективность применяемой методики расчета необходимого расхода воздуха для проветривания вы-
емочного участка. В основе расчета принята проверка нагрузки на очистной забой по относительной метанообильности без учета динамики выделения метана и формирования газовоздушной среды в очистном пространстве во время выполнения производственных процессов. Этот метод давал незначительные погрешности только при небольшой природной мета-ноносности и невысокой фактической нагрузке на забой. Применение этого расчета является тормозом для увеличения нагрузки и приводит к созданию аварийных ситуаций, так как с изменением технологии выемки изменяется режим выделения метана из массива угля. Такие изменения режима газовыделения на первом этапе совершенствования выемочной техники были отмечены Н.И. Устиновым и др. По нашему мнению, в основе расчета должно быть обеспечение средствами вентиляции безопасной концентрации метана в подземном пространстве шахты.
Для решения проблемы кратного увеличения нагрузки на очистной забой при обеспечении безопасных условий работы необходимо рассматривать выемочный участок как систему одновременно действующих процессов: отбойки угля и подвигания очистного забоя, выделения метана и разбавления выделившегося метана до концентрации, допустимой ПБ. Одновременно с выбором рациональных параметров технологической схемы должны решаться проблемы предотвращения аварий по вине газового фактора и увеличения нагрузки на забой по газовому фактору (рис. 1).
На рис. 2 представлена блок-схема формирования параметров, влияющих на интенсивность выемки угля и взрывоопасность метановоздушной смеси в выработанном пространстве шахты. Для определенных горногеологических условий шахтного поля или выемочного столба принимаются схема подготовки и вари-
ант системы подготовки. Система подготовительных выработок и площадь поперечного сечения этих выработок определяют эффективность распределения потоков свежего воздуха и разбавления выделяющегося метана в выработки и выработанное пространство. Для уменьшения нагрузки на вентиляцию предусматривается система частичного удаления метана и метановоздушной смеси с выемочного участка.
В процессе работы очистного забоя переменными параметрами являются рабочая скорость выемочной машины, продолжительность цикла по выемке угля, а также расход свежего воздуха в вентиляционной системе выемочного участка.
Результатом взаимодействия горногеологических и технологических факторов является комплекс контролируемых и неконтролируемых параметров. К контролируемым параметрам относится концентрация метана в исходящих потоках воздуха из лавы и выемочного
Рис. 2. Блок-схема формирования параметров, влияющих на интенсивность выемки угля и взрывоопасность метановоздушной смеси
участка (по ПБ) и нагрузка на очистной забой, учет которой ведется диспетчером шахты.
В результате шахтных и теоретических исследований нами разработана методика расчета расхода воздуха по концентрации метана в зависимости от интенсивности выемки угля.
Процесс выемки угля и формирования метановоздушного потока в очистном пространстве лавы рассматривается как непрерывный и динамичный. Выделение метана из источника происходит с определенной интенсивностью. Метан перемешивается с движущимся потоком воздуха, образуя метановоздушную смесь. Основной задачей является установление межсистемной связи между параметрами очистного забоя и сопряженными выработками, параметрами вентиляции и интенсивностью выделения метана в шахтную атмосферу призабойного пространства.
При выемке угля комбайном учитывается естественная постоянная дегазация пласта. Ме-таноносность угля в призабойной зоне с учетом естественной дегазации Хд меньше, чем в массиве Хм, и зависит от продолжи-тельности цикла Тц (мин):
Хд = Хм-ехр (- 0,00054-Тц).
Абсолютная метанообильность очистного забоя определяется по формуле:
ол = Ор + от + ок,
где Ор, От, Ок - дебит метана соответственно из разрушаемого угля, из поверхности пласта и из отбитого угля, лежащего на конвейере и за конвейером в лаве.
Расчеты и шахтные замеры показали, что по газовому фактору с увеличением рабочей скорости и ширины снимаемой стружки комбайном необходимо увеличивать длину лавы. При этом интенсивность выделения метана уменьшается, а общий дебит метана в лаве увеличится. Но значительная часть метана уносится из очистного пространства вместе с
утечками воздуха при прямоточной схеме проветривания на выработанное пространство с подсвежением исходящей струи из лавы. В связи с этим, величина нагрузки на забой и обеспечение безопасных условий зависит от того, сколько воздуха будет подано на участок и как он будет распределен по выработкам и выработанному пространству.
В результате шахтных исследований установлены закономерности движения воздуха в призабойном пространстве лавы. При определении расхода воздуха, подаваемого в лаву, необходимо учитывать то, что значительная его часть на расстоянии 15 м от вентиляционной выработки уходит в выработанное пространство. Максимальная скорость воздуха в лаве будет равна
умах = / (60 ■ Боч),
где 80ч - площадь поперечного сечения очистного пространства на расстоянии 15м от вентиляционной выработки, м2; Q1 - расход воздуха на расстоянии 15 м от вентиляционной выработки.
На пластах мощностью до 2 м расход воздуха будет равен
Ql = 0,237 + 0,536 Qoч, если Q1 и Qoч в м3/с (по ПБ максимальная скорость не должна превышать 4 м/с).
Примерно 53 % воздуха, подаваемого по вентиляционной выработке, поступает в очистное пространство, а 47 % - в выработанное.
На пластах мощностью 2...2,4 м Q1= - 0,42 + 0,86 Qoч, а на пластах мощностью 3,75...4,12 м Q1 = - 7,75 + 1,65 Qoч - 0,028 Q20ч, где Q1 и Qoч в м3/с.
В результате распределенных утечек по лаве количество воздуха в очистном пространстве уменьшается еще по ходу движения струи. Расход воздуха в исходящей струе из лавы Ол = 0,109 -а-^оч) 1Д5, (1)
где а - поправочный коэффициент, который определяется по формуле а = 0,0032Ь + 0,16БВ - 0,07QП/QOЧ --0,00004^ - 0,534, (2)
где Ь - длина лавы; Qп - расход воздуха для подсвежения исходящего из лавы; Бв - площадь поперечного сечения выработки на границе с выработанным пространством лавы.
Эффективность проветривания очистного пространства равно
К, = й / Qoч.
Расход воздуха в исходящей из лавы Qл (формула 1) зависит от параметров технологии
(длины лавы, площади поперечного сечения подготовительной выработки за лавой) и параметров вентиляции (расхода воздуха для подсвежения и соотношения расходов воздуха, подаваемого в лаву и для подсвежения).
Из формул 1 и 2 видно, что для эффективного проветривания очистного пространства и обеспечения интенсивной выемки угля необходимо, чтобы утечки из очистного пространства были как можно меньше, т.е. утечки должны быть только для предотвращения поступления метана из выработанного пространства. Тогда будет обеспечена максимальная интенсивность выемки угля и эффективное разбавление метана в очистном пространстве.
Но для проветривания выработанного пространства требуется дополнительный расход воздуха. Даже при дегазации выработанного пространства, эффективность которого составляет 30-50 %, метан будет заполнять выработанное пространство. Для эффективного проветривания выработанного пространства необходимо сформировать обособленное проветривание распределенными потоками свежего воздуха. Для решения этой проблемы нами предлагается новая схема.
Технологические решения в области подготовки и системы разработки следующие. Подготовка выемочного участка осуществляется парными пластовыми или полевыми выработками. Крепление выработок анкерной крепью. При пластовой подготовке между выработками оставляются целики, в которых для уменьшения аэродинамического сопротивления в исходящем потоке газовоздушной смеси из выработанного пространства могут быть пробурены буровыми станками скважины диаметром 0,85 м. Длина лавы 250-350 м. Такая длина лавы обеспечивает снижение утечек воздуха и высокую интенсивность выемки угля.
Возможность увеличения длины лавы на метаноносных пластах подтверждается шахтными экспериментами. В лавах № 513-ю, 613го и др. на пласте «Четвертом» (п11) в Воркут-ском месторождении при отработке участка столба с постоянным уменьшением длины лавы от 295 м до 180-160 м произошло снижение среднесуточной нагрузки на забой. Абсолютная метанообильность выемочного участка доходила до 45 м3/мин. Снижение среднесуточной нагрузки произошло в результате увеличения утечек воздуха из очистного пространства и концентрации метана в исходящей струе из лавы.
Выводы
Для обеспечения интенсивной и безопасной по газовому фактору выемки угля на метаноносных пластах необходимо учитывать зависимость режима газовыделения и распределения потоков воздуха от технологических параметров выемочного участка.
При выборе параметров вентиляции основным принципом должно быть создание системы упреждения взрывоопасного состава в горных выработках и выработанном пространстве шахты.
Для реализации возможностей высокопроизводительного выемочного оборудования на метаноносных пластах угля кроме увеличения длины лавы необходимо увеличивать расход воздуха, подаваемого в очистное пространство, с учетом закономерностей выделения метана и формирования концентрации метановоздушной смеси, а также применять обособленное проветривание выработанного пространства выемочного участка.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------------
Колесниченко Игорь Евгеньевич — доцент, кандидат технических наук, кафедра «Промышленная и экологическая безопасность» Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).
------------------------------------------------- © Г.П. Необутов, 2004
УДК 622 273 2:622.002.5.62-192 Г.П. Необутое
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЛЬДОПОРОДНОЙ ЗАКЛАДКИ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ САМОХОДНОЙ ТЕХНИКИ*
Семинар № 11
есторождение алмазосодержащих руд «Айхал» представляет собой крутопадающее сплюснуто-трубчатое тело и расположено в зоне сплошного развития многолетнемерзлых пород мощностью 350 - 400 м. С 1961 г. яобыча запасов месторождения проводилась открытым способом и завершена на глубине 320 м. На основании проведенной предварительной разведки глубоких горизон-
тов институтом «Якутнипроалмаз» составлено ТЭО постоянных кондиций на их отработку подземным способом. Проект вскрытия и отработки подкарьерных запасов разработан институтом «Гипроникель», в котором предусмотрено применение систем разработки с открытым выработанным пространством с подэтажной выемкой и слоевой с твердеющей закладкой.
* Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, код проекта № 03-0596083
