Управление газовым режимом в выработанных пространствах угольных шахт с использованием пен длительной устойчивости Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

---------------------------------- © Ю.В. Шувалов, Ю.Д. Смирнов,

А.П. Веселов, 2007

УДК 622.454:662.815

Ю.В. Шувалов, Ю.Д. Смирнов, А.П. Веселов

УПРАВЛЕНИЕ ГАЗОВЫМ РЕЖИМОМ В ВЫРАБОТАННЫХ ПРОСТРАНСТВАХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЕН ДЛИТЕЛЬНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ

Самым распространенным и значительным по количественным и качественным показателям топливноэнергетическим ресурсом в России является уголь.

Деятельность предприятий угольной отрасли приводит к масштабному загрязнению атмосферного воздуха. Это загрязнение вызвано выбросами метана, угольной пыли и продуктов обогащения угля в рабочих пространствах шахт и выработанном пространстве.

В отличие от коллекторов природных газов в угленосных отложениях метан находится в тесной (до 95 %) физико-химической связи с углем (адсорбированном, абсорбированном и растворенном видах), образуя преимущественно твердый углеметановый раствор. Эмиссия метана возможна только при нарушении термодинамического состояния системы и распаде указанного раствора, что и происходит при разработке угольных пластов и изменении напряженного состояния горного массива. При скоплении метана и достижении им опасных концентраций происходят взрывы.

Несмотря на предпринимаемые меры при разработке метаноносных пластов продолжает оставаться высоким риск аварий из-за взрывов метано-пылевоздушных смесей с большими человеческими и экономическими потерями (рис. 1).

Доля аварий взрывов метана и пыли: 2004 г. — 26 %, (9 из 35); 2005 г. — 30 % (8 из 27). Доля смертельных случаев при взрывах метана и пыли: 2004 г. — 45 % (67 из 148); 2005 г. — 33 % (33 из 107). За период с 1999 по 2005 гг. в шахтах угледобывающих бассейнов России произошло 56 взрывов метановоздушной смеси. Следует отметить, что взрывы

Рис. 1. Динамика добычи угля, травматизма со смертельным исходом и аварийности за период 1997-2005 гг.

происходят не только в сверхкатегорийных шахтах, но и в шахтах III, II и I категории по газу.

В РФ из 105 действующих шахт 77 % отнесены к опасным по метану, из них 45 % являются наиболее метанообильными и 20 % работают с дегазацией угольных пластов и выработанных пространств. Дегазационными системами шахт извлекается 475 м3/мин метана, что составляет 25 % выделяющегося метана в шахтах РФ, или третью часть в шахтах с дегазацией. Для обеспечения безопасности отработки угольных месторождений при подземном способе добычи наиболее актуальным является обеспечение метанобезо-пасности при ведении горных работ за счет сокращения объемов выделений метана в горные выработки и предотвращения опасности его скоплений и взрывов в шахтах.

Одним из важнейших направлений повышения эффективности подземной угледобычи является концентрация горных работ на шахтах, обеспечиваемая за счет роста нагрузки на очистные (до 12 тыс. т угля из одного очистного забоя в сутки) и подготовительные забои, которая во многих случаях ограничивается газовым фактором. На наиболее газообильных шахтах нагрузки на очистные забои в 1,5-2 раза ниже технологически возможных.

Техническая производительность современных зарубежных и перспективных отечественных очистных комбайнов в зависимости от энерговооруженности достигает 10-25 т/мин, что позволяет рассчитывать на сменные нагрузки на лаву до 15-25 тыс. т. Однако, допустимая по газовому фактору производительность выемочной машины обратно пропорциональна относительной метанообильно-сти лавы и с ее увеличением резко снижается до уровня, исключающего возможность рентабельной добычи угля.

Следовательно, достижение рентабельности и безопасных условий подземное добычи угля в развитых районах угольных бассейнов России напрямую связано с состоянием и перспективными возможностями вентиляции и дегазации шахт.

Из-за малой природной газопроницаемости углей и, следовательно, низкой газоотдачи пласта эффективность применяемых схем дегазации, как правило, не превышает 20 %. Вместе с тем научные разработки, передовой отечественный и зарубежный опыт свидетельствует о возможности достижения эффективности подземной дегазации в пределах 40-50 % и выше. При нагрузках на очистные забои, предусматриваемых на перспективных шахтах необходимо обеспечивать эффективность дегазации на выемочном участке на уровне 70-75 %, что возможно только с применением специальных мер по повышению газопроницаемости угольных пластов и их газоотдачи.

Выработанное пространство, примыкающее к очистным забоям, является наиболее опасным объектом во всем объеме шахтных выработок по условиям возникновения и поддержания аварийного состояния при пожарах и взрывах газа и пыли.

Прямоточные схемы проветривания выемочных участков с выдачей исходящей вентиляционной струи из лавы на выработанное пространство позволили решить очень многие вопросы, связанные с проветриванием очистного забоя, так как утечками воздуха метан из лавы выносится через выработанное пространство на поддерживаемую за лавой выработку и в очистных забоях не наблюдается превышение концентрации метана выше допустимых «Правилами безопасности» норм. Это также позволило отказаться и от предварительной дегазации разрабатываемого пласта.

Но при всех своих преимуществах прямоточные схемы при бесцеликовой выемке пластов имеют существенный недостаток -утечками воздуха через выработанное пространство выносятся ме-

тановоздушные смеси с концентрацией метана 10-15 % на поддерживаемую за лавой выработку, что требует подачи значительных объемов воздуха для разбавления этого газа. Однако, даже при подаче расчетных объемов воздуха в выработке, поддерживаемой за лавой, часто наблюдаются слоевые и местные скопления метана. К действующему выемочному столбу примыкают большие площади старых отработанных полей, являющихся коллектором огромных объемов метана и при возникновении пожара, который уходит в выработанное пространство, борьба с последним очень трудна и требует значительных затрат времени и средств.

Неравномерность газовыделения как во времени, так и по площади поверхности контакта пород с воздухом делает характер формирования газового режима выработок не закономерным и требует значительных резервов производительности систем безопасности (вентиляторов, распределительных устройств и пр.) при надежном и стабильном контроле ситуации. Известно влияние на газовый режим выработок таких факторов, как механические процессы в выработанном пространстве, изменение барометрического давления атмосферного воздуха, технологических процессов в выработке и т.д. Диапазон стабильных изменений концентрации газа в сечении достигает 0,3-0,4 %, а эпизодические “всплески” могут превышать допустимые пределы и вызывать воспламенения газа, переходящие во взрывы газа и пыли.

Одним из перспективных способов управления газовым режимом выемочных участков, разработанных в лаборатории кафедры БП и РГП СПГГИ (ТУ) им. Г. В. Плеханова, является использование шунтирующих аэродинамических сопротивлений в краевых зонах выработанного пространства у вентиляционного штрека (рис. 2, а) и очистного забоя (рис. 2, б). Первые способны снизить значительные (до 40 % от общих) утечки воздуха через погашаемую вентиляционную выработку в верхней части лавы. Вторые могут обеспечить равномерное распределение утечек по поддерживаемой вентиляционной выработке или повысить эффективность работы флангового вентилятора.

Суть способа заключается в цикличной подаче пены ограни -ченной устойчивости перед посадкой непосредственной а)

Рис. 2. Варианты способа управления утечками воздуха в выработанном пространстве

кровли, в выработанное пространство за механизированной крепью. Способ (рис. 2) осуществляется при разработке угольных пластов длинными очистными забоями с управлением горным давлением полным обрушением пород кровли за крепью при прямоточном

проветривании выемочного участка по воздухоподающему штреку 1, очистному забою 2, вентиляционному штреку 3. При этом часть воздуха проходит через зону повышенного метановыделения в выработанном пространстве 5, поступая на вентиляционный штрек 3.

В зависимости от шага обрушения непосредственной кровли ширина свободной зоны между крепью очистного забоя и обрушенными породами может изменяться от единиц до нескольких метров. При максимальной ширине свободного пространства оно заполняется эластичной, например, водовоздушной со стабилизаторами, пеной, подаваемой по гибкому шлангу с вентиляционного штрека от пеногенера-тора к распределительным стволам, выведенным за ограждение крепи с заданными интервалами по длине очистного забоя (5-10 м).

Использование этого способа может обеспечить повышение безопасности, управление утечками воздуха в выработанном пространстве смещением их к призабойному пространству за пределы зоны высоких концентраций метана и снижение его содержания в утечках, поступающих в вентиляционные выработки.

В настоящее время для изготовления взрывоустойчивых и изолирующих перемычек, для изолирования, заполнения пустот и закладки используют целый перечень пен различных свойств, такие как ДЬЮ-РАФОАМ, ПЕНОЦЕМ-Б, ВИЛЬФЛЕКС, ВИЗОФОАМ и т.п.

На основе анализа различных видов пен предлагается использовать карбомидную твердую пену (табл. 1), которая представляет собой однородный материал мелкоячеичной структуры, получаемый путем механического смещения водного раствора карбомидоформальдегид-ной смолы с пенообразователем и раствора кислоты (ортофосфорной) с дальнейшим вспениванием смеси сжатым воздухом. Она обладает податливостью при сжатии и под действием горного давления уплотняется не теряя изоляционных свойств.

Твердеющая пена трудновоспламеняема, при непосредственном воздействии пламени ее поверхностный слой обугливается, деформируется, но пламя по поверхности не распространяется. Твердеющая пена устойчива к воздействию агрессивных шахтных сред, имеет достаточно высокие адгезионные свойства к углю, породе, дереву.

Таблица 1

Техническая характеристика твердеющей пены

Наименование показателей Норма

Внешний вид Однородный мелко ячеечный материал от белого до светло-корич-

Объёмная масса (сухой) кг/м3 7-15

Предел прочности при сжатии, КПа 20-50

Сжимаемость без разрушения (степень

уплотняемости под действием сжи- 40-70

мающих сил), %

Рис. 3. Распределение «притечек» воздуха на вентиляционный штрек при применении пенных полос возводимых вдоль лавы

В связи с проведением исследований по улучшению свойств твердеющей пены возможны изменения состава и технической характеристики продукта.

Периодическое заполнение пеной свободного пространства за крепью в пределах мощности свободного пространства за крепью в пределах вынутого пласта угля обеспечивает заполнение пеной пустот между кусками обрушивающейся кровли.

На рис. 3 кривая 1 показывает распределение «притечек» воздуха из выработанного пространства, кривая 2 - распределение «притечек» воздуха на вентиляционный штрек при применении пенных полос возводимых вдоль лавы. В результате видно, что «притечки» воздуха смещаются к призабойному пространству, что обеспечивает наиболее эффективное проветривание призабойной части выработанного пространства, снижение пиковых концентраций метана и изоляцию удалённой части выработанного пространства.

Заполнение пеной свободного пространства в пределах извлекаемой мощности пласта обеспечивает ее всплывание между кусками обрушающейся затем на нее непосредственной кровли, заполнение пустот и даже образующейся полости между непосредственной и основной кровлей за счет разряжения воздуха в этом пространстве. В результате этих процессов увеличивается сопротивление движению утечек воздуха и снижается их расход, вплоть до полной изоляции выработанного пространства (жесткие пены), происходит перемещение утечек к призабойному пространству за пределы зоны высоких концентраций метана и повышается безопасность угольной шахты.

Исследования подготовлены при поддержке правительства г. Санкт-Петербург, Американского фонда гражданских исследований и развития, Министерства образования и науки РФ и НОЦ-015 СПГГИ (ТУ).

— Коротко об авторах

Шувалов Ю.В. - профессор, доктор технических наук,

Смирнов Ю.Д. - аспирант

Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова (технический университет)

Веселов А.П. - Федеральное агентство по энергетике, кандидат технических наук.

© Г.С. Забурдяев, 2007