CC BY
35
;минар з :
їКЛАЙ НА СИМПОЗИУМЕ ЩЕШШ горня к а
I
МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99
В.С. Пак, Н.И. Устинов,
Ю.С. Воронюк, С.П. Щеголев,
2о0О::::::::::::::::::::::::::::'''
И
УДК 622.4:35
B.С. Пак, Н.И. Устинов, Ю.С. Воронюк,
C.П. Щеголев
УПРАВЛЕНИЕ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕМ НА ШАХТАХ ТОМЬ-УСИНСКОГО РАЙОНА КУЗБАССА
Все возрастающая с глубиной роль метанообильности и газового баланса выемочных участков в формировании зон с повышенным содержанием метана в горных выработках и в ограничении нагрузки на очистные забои по газовому фактору со всей очевидностью свидетельствуют о необходимости совершенствования существующих и разработки новых более эффективных способов борьбы с газом. В связи с этим на шахтах Томь-Усинского района Кузбасса, как и в целом на шахтах отрасли, все больше находят применение и будут находить в дальнейшем мероприятия, направленные на управление метановыделением горнотехническими методами, а также средствами вентиляции и дегазации.
Горнотехнические методы управления газовыделением на участке, предусматривающие изменение элементов системы разработки, порядка отработки сближенных угольных пластов в свите, способов выемки угля, способов управления кровлей и др. довольно неплохо изучены с качественной и с количественной стороны. Поэтому в случае необходимости перехода от постоянно применявшихся к другим горнотехническим методам управления газовыде-лением сложностей с оценкой эффективности их применения не предвидится. Тем более, что применяемые на шахтах региона горно-технические методы управления газовыделением остаются постоянными в течение длительного времени.
Проблематичнее обстоят дела с выбором наиболее эффективных способов управления газовыделением сред-
ствами вентиляции, базирующиеся на схемах проветривания очистных выработок. Основная сложность заключается в том, что согласно действующего нормативного документа - "Руководства по проектированию вентиляции угольных шахт" - оценку применяемых схем проветривания рекомендуется производить по двум показателям:
• по вероятности образования местных скоплений метана на сопряжении лавы с вентиляционной выработкой и в призабойном пространстве очистного забоя;
• по подаваемому в очистную выработку количеству воздуха, которое должно обеспечивать разбавление метана, выделяющегося из всех источников, до допустимой ПБ концентрации.
Но этих критериальных показателей явно недостаточно, когда речь идет о сложных и весьма сложных, как на шахте "Распадская", схемах проветривания выемочных участков, на которой в единую вентиляционную сеть объединены практически 3-4 самостоятельные схемы проветривания (с одним, иногда с 2- 3-я очистными забоями, а также подготовительные выработки прилегающего и даже нижележащих горизонтов) и когда повышенные концентрации метана постоянно наблюдались не только в очистном забое и на его сопряжении с вентиляционной выработкой, но и по всей длине поддерживавшихся за лавой и сбитых с ними выработках, а также в тех случаях, когда речь идет о труднопроветри-ваемых (например, межлавных целиков) и потенциально опасных по вероятности их загазирования выработках.
Учитывая эти обстоятельства, для оценки фактически применявшихся на шахте схем проветривания выемочных участков и выбора наиболее рациональных из них были выполнены экспериментальные исследования по изучению всего комплекса аэрогазодина-мических показателей очистных выработок.
В качестве объекта для детального исследования аэрогазодинами-ческих показателей из всех шахт Томь-Усинского района Кузбасса была выбрана шахта "Распадс-кая", которая является:
• наиболее перспективной не только в регионе и Кузнецком бассейне, но и в отрасли;
• стабильно высокая за последние 10-12 лет производительность шахты, составляющая 12000-15000 т/сутки;
• применяемые на шахте технологические схемы ведения очистных и подготовительных работ являются наиболее типичными для шахт региона;
• на шахте 100 % механизация очистных и 95 % механизация проведения подготовительных выработок.
При выборе экспериментальных участков исходили из следующих соображений:
• разрабатываемый пласт является наиболее перспективным и представительным в регионе;
• природная газоносность пласта должна быть не ниже 10-15 м3/т;
• нагрузка на очистные забои составляла не менее 1000-1500 т/сутки.
Исходя их этих соображений в качестве объекта исследования были выбраны 2 выемочных участка (4-648, 4-6-20), отрабатывавших пласт 6 длинными столбами по простиранию на глубине 250-300 м.
Исследования проводились при возвратноточной, прямоточной и комбинированной схеме проветривания выемочных участков с выдачей исходящей из очистного забоя вентиляционной струи на вентиляционный штрек в целике угля или в выработанном пространстве или на обе из них. Подававшееся при этом дополнительное количество воздуха со стороны целика или выработанного пространства предназначалось для проветривания поддерживавшихся за лавой выработок или спаренных (строенных) очистных забоев. Проветривание лав осуществлялось по восходящей или нисходящей схеме.
Всего было рассмотрено 6 вариантов схеме проветривания выемочных участков (рис. 1).
В результате выполненных исследований по изучению аэрогазодинамики выемочных участков при различных схемах их проветривания было установлено, что основным фактором, обуславливающим формирование повышенных концентраций метана в горных выработках, является величина и направление утечек воздуха через выработанное пространство.
При восходящем проветривании очистного забоя, когда утечки воздуха через выработанное пространство были ориентированы вверх, зоны с повышенным содержанием метана наблюдались на верхнем сохранявшемся в выработанном пространстве конвейерном штреке 4-6-18 (рис. 1, варианты 1-2). А при нисходящем проветривании очистного забоя, когда утечки воздуха были ориентированы вниз, газоопасные зоны располагались на нижнем сохранявшемся за лавой конвейерном
штреке 4-6-20 (рис. 1, варианты 3-4).
Подача же дополнительного количества воздуха для подсвежения со стороны целика способствовала смещению газоопасных зон в сторону тупика за лавой, а при подаче дополнительного количества воздуха со стороны выра-
ботанного пространства, - наоборот, в сторону выработки в целике угля перед лавой.
Изучение распределения воздуха по сети горных выработок, в том числе и утечек через выработанное пространство, в зависимости от их аэродинамического сопротивления позволило оценить обеспеченность выработок участка необходимым количеством воздуха и выявить наиболее труднопроветривае-мые из них, т.е. выработки с аэродинамическим сопротивлением К>0,25 кЦ и дебитом воздуха менее 150-200 м3/мин.
На экспериментальных участках к числу таких выработок прежде всего следует отнести те, проблемы с проветриванием которых наблюдались в течение длительного времени. Такими, кроме сопряжения лав с вентиляционными выработками, являлись сохранявшаяся в выработанном пространстве часть конвейерного штрека 4-6-20 и непосредственно соединенные с ней лава 4-6-20 с межлавным целиком, межлавный целик нижележащей лавы 4-6-22 и сбойка №
1.
В процессе работы выемочных участков проблемы с проветриванием, происходившие в основном из-за просчетов в распределении воздуха по сети гор
ных выработок, наблюдались также и в некоторых других выработках. Но в отличие от проблем
Рис. 2. Изменение дебита метана по длине лав и конвейерного штрека 4-6-18
Рис. 1. Схемы проветривания лав и зоны скопления метана:
1 - на сопряжении; 2 - в выработках
в предыдущих выработках, они, как правило, носили эпизодический характер и довольно оперативно решались путем увеличения количества воздуха, подаваемого в выработку. Так, например, наблюдавшиеся в январе месяце трудности с выдачей исходящей из участка вентиляционной струи по вентиляционному штреку 4-6-22 были ликвидированы уже в феврале месяце. Для этого были выполнены работы по уменьшению утечек через кроссинги, оборудованные в местах пересечения диагональной разрезной печи № 2 с конвейерным 4-6-20 и вентиляционным 4-6-22 штреками, что позволило в конечном счете увеличить расход воздуха в выработке в 1,5 раза (с 280 до 425 м3/мин) и снять проблемы с ее проветриванием.
Основными причинами, из-за которых постоянно возникали сложности с проветриванием поддерживаемой в выработанном пространстве части конвейерного штрека 4-6-20 и сбитых с ней выработок являлись:
1. Весьма низкая ее пропускная способность по воздуху;
2. Принятая на участке схема вентиляции, при которой его проветривание осуществлялось не обособленной струей, а за счет неуправляемых утечек воздуха, происходивших из воздухоподающей выработки - конвейерного штрека 4-6-18 через выработанное пространство действовавшего очистного забоя на конвейерный штрек 4-6-20 за лавой. Кроме того, в эту же выработку
Рис. 4. Способы управления газовыделением на участке 4-6-22 средствами вентиляции и дегазации
происходили утечки воздуха из призабойного пространства лавы 4-6-20.
Весьма низкая пропускная способность поддерживавшейся за лавой выработки объясняется тем, что в результате происходивших в выработанном пространстве процессов сдвижения труднообрушаемых пород кровли и под воздействием процессов гниения деревянных элементов крепи выработка деформировалась до такой степени, что ее сечение становилось недостаточным не только для прохода людей, но довольно часто, особенно в ее тупиковой части, и для движения воздуха.
Этими обстоятельствами объясняется тот факт, что и без того незначительный расход воздуха (150-250 м3/мин), подававшийся для проветривания, по ходу движения по выработке за счет происходивших утечек через выработанное пространство постепенно снижался, и до тупика доходило всего лишь 30-50 % от первоначального расхода воздуха (70-80 м3/мин).
Учитывая сложившиеся обстоятельства, на шахте было принято решение о проветривании сохранявшегося в выработанном пространстве конвейерного штрека 4-6-20 за счет направления в нее части исходящей из лавы 4-6-20 вентиляционной струи. Но, как уже отмечалось ранее, из-за весьма низкой ее пропускной способности, обусловленной высоким ее аэродинамическим сопротивлением, дебит поступавшего в выработку воздуха был незначительным (не более 50-70 м3/мин). В результате проветривание поддерживаемой части конвейерного штрека 4-6-20 фактически осуществлялось только за счет утечек воздуха, происходивших из конвейерного штрека 4-618 через выработанное простран-
ство на поддерживаемую часть конвейерного штрека 4-6-20.
Но проветривание за счет утечек воздуха через выработанное пространство, как известно, всегда сопряжено с выносом метана, выделяющегося из под- и надрабатываемого угленосного массива, в действующие выработки участка с образованием в них зон с повышенным содержанием газа, а нередко и с загазованием выработок.
Выполненные с 10-20-ти метровыми интервалами замеры дебита воздуха и концентрации метана за лавой на конвейерном штреке 4-6-18 при восходящей и 4-6-20 при нисходящей схеме проветривания очистного забоя в период работы одной 4-6-20 и двух (4-618 и 4-6-20) лав показали, что увеличение утечек воздуха неизбежно ведет к увеличению дебита метана, выносимого из выработанного пространства (рис.23).
Отмечавшееся при этом нарастание дебита метана по мере увеличения длины и величины утечек воздуха происходило с переменным темпом роста, который был наиболее интенсивным в местах сопряжения сохраняемой за лавой выработки с погашенными монтажной камерой 4-6-20, диагональными разрезными печами № 1 и 2, а также с верхним или нижним кутком действовавшей лавы 4-6-20.
Места формирования зон с повышенным содержанием метана (от 1,3 до 7,2 %) и их протяженность (от 10-20 м в зонах сопряжения до 700-800 м - в выработках с исходящей струей) на экспериментальных участках приведены на рис.1, из анализа которых следует, что наиболее опасными с точки зрения вероятности образования газоопасных зон в выработках участка являются схемы проветривания лавы 4-6-20 в период ее работы в первой половине выемочного столба, в которых предусматривалось сохранение выработки в выработанном пространстве (рис. 1, варианты 1-5). Причем, несмотря на все принятые меры, средствами вентиляции не удалось добиться безопасной концентрации ме-
Рис. 3. Зависимость дебита метана от утечек воздуха через выработанное пространство:
1 - при работе лавы 4-6-20; 2 - при работе лав 4-6-18 и 4-6-20
тана в поддерживаемой за лавой выработке.
Поэтому, при отработке выемочного столба лавой 4-6-22 был применен новый метод управления газовыделением, основанный на рациональном сочетании мероприятий по вентиляции и дегазации. Схема отработки столба показана
на рисунке.
Этапы реализации метода управления газовыделением следующие. Для ликвидации попадания взрывоопасной концентрации метана на сопряжении в смежную монтажную камеру 1 на ее участке, пройденном в межштрековом целике, установили изолирующую перемычку 6. Дополнительно в сбоечной печи 15 построили перемычку 14, после чего концентрация СНд в сохраняемой части 7 конвейерного штрека 11 начала возрастать, распространяясь от сопряжения 5 к сопряжению 10, где объемная доля метана поднялась от 0,2 до 1,5 %. Затем вскрыли перемычку 14 и устрои-
ли перемычку 12, а в сохраняемой части 7 у сопряжения со сбойкой 15 установили комплект 8 для предотвращения прохода людей в тупиковую часть и на расстоянии 1 м от комплекта 8 установили вдоль выработки 7 отшив 9 длиной 5 м для ликвидации скоплений метана около комплекта 8. По окончании этих работ объемная доля метана за комплектом 8 возросла с 1 до 7 %, а на сопряжении 10 снизилась с 1,5 до 0,2 % и на сопряжении у отшива 9 - до 0,3 %, в сбойке 15 - до 0,7 %. После бурения скважин 3 из монтажной камеры 1 в тупиковую часть выработки 4, пройденной в створе с выработкой 7, и подключения скважин 3 к дегазационному трубопроводу 13 дебит газовоздушной смеси на выходе вакуум-насосной установки на поверхности шахты составил 20-30 м3/мин с объемной долей метана 2 % в начальный период газоотсоса и 12-15 % после его стабилизации. В результате концентрация СН4 у комплекта 8 ив сбойке 15 стала снижаться и через некоторое время стабилизировалась: у ком-
плекта 8 - до 1 %, в сбойке 15 - от 0,3 до 0,5 %.
Таким образом, проветривание нормализовалось, объемная доля метана во всех выработках, оконтуривающих выемочные столбы, не превышала допустимых правилами безопасности уровней на протяжении всего периода окончания отработки и составляла от 0,2% на сопряжении 10 до 0,5% на сопряжении 2 при расходе воздуха от 500 до 900 м3/мин.
Практическое применение комплекса мер по управлению газовыделением в конкретных горногеологических условиях позволило ликвидировать ограничение нагрузки по "газовому фактору", которая в среднем составила 2400 т/сут против 1800 т/сут при проветривании участка по предусмотренной проектом схеме (увеличение на 25%). В отдельные дни среднесуточная нагрузка достигала 6000 т, при этом "газовый фактор" не оказывал существенного влияния на формирование газовой опасности в диапазоне достигнутых высоких нагрузок.
