CC BY
25
© В.С.Зыков, 2013
УДК 622.831 В.С. Зыков
ВОПРОСЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ШАХТ ПО ГЕОДИНАМИЧЕСКИМ ЯВЛЕНИЯМ
Рассмотрено состояние вопроса и сформулированы направления исследований по различным аспектам обеспечения безопасности шахт по геодинамическим явлениями..
Ключевые слова: динамическое явление, газодинамическое явление, внезапный выброс угля и газа, горный удар, классификация динамических явлений в угольных шахтах.
1.1. Состояние вопроса
Л ля повышения производительности и обеспечения безопасности угольных шахт России и, в частности, Кузбасса по геодинамическим явлениям, необходима разработка новых горных машин, оборудования и других технических средств с учетом особенностей разрабатываемых угольных пластов. Главными их особенностями являются высокая газоносность, часто существенная тектоническая нарушенность, наличие трудноуправляемых кровель, проявление опасности по газодинамическим явлениям (внезапным выбросам угля и газа, внезапным прорывам и экстремальным выделениям газа из под- и надрабатываемых пластов, суфлярам и др.). В связи с постоянным возрастанием глубин разработки опасность по негативным проявлениям, связанным как с природными, так и техногенными факторами, возрастает. Увеличение опасности в наибольшей степени связано с усложнением газовой ситуации -возрастает газоносность угольного пласта, давление свободного газа в пласте, величина и интенсивность газовыделения при разрушении угля. Исходя из изложенного должны быть поставлены ориентиры и требования к разработке инновационных технологий и технических средств, обеспечивающих безопасность и производительную работу угольных шахт.
1.2. Повышение эффективности дегазации угольных пластов
Преобладающее число мероприятий по снижению опасности по аномальным газовыделениям и газодинамическим явлениям основано на снижении потенциальной возможности негативного проявления газового фактора. Наиболее широко распространенным мероприятием является дегазация угольных пластов.
Метан угольных пластов может извлекаться из недр независимо от добычи угля по технологии газового производства при условии его рентабельности как попутное ископаемое (добыча метана) и при дегазации с целью обеспечения безопасности условий труда (метанобезопасности). В последнем случае обеспечивается возможность интенсификации ведения горных работ на шахтах, т. е. повышаются темпы проходки выработок и нагрузки на очистные забои. Существующими средствами дегазации, применяемыми в России, извлекается от 20 до 30 % общего объема выделяющегося метана. Вследствие малого объема дегазационных работ и недостаточной их эффективности на многих газообильных шахтах России сохраняется газовый барьер, препятствующий достижению высоких скоростей проведения выработок и больших нагрузок на очистные забои. По этой причине в угледобывающей промышленности сложилась парадоксальная ситуация, когда технические возможности средств очистной выемки на пологих пластах в несколько раз превышают допустимую нагрузку на лаву по газовому фактору. Этим объясняется низкая производительность труда и высокая степень травматизма при ведении подземных работ.
Дальнейшее повышение эффективности, технической и экологической безопасности подземной разработки высокогазоносных угольных месторождений неразрывно связано с разработкой способов и средств стимулирования газоотдачи неразгруженных угольных пластов с последующей утилизацией шахтного метана. В перечне критических технологий Российской Федерации, утвержденных Указом Президента РФ от 07.07.2011 г. под № 899, предлагаемое направление работ соответствует позиции «Технологии поиска, разведки, разработки месторождений полезных ископаемых и их добычи; технологии предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера».
В 2011 г. Госдумой принят в 1-ом чтении закон об обязательной дегазации угольных шахт до допустимой концентрации.
Согласно действующему нормативному документу «Методические рекомендации о порядке дегазации угольных шахт» «дегазация должна осуществляться на газовых угольных шахтах, где средствами вентиляции невозможно обеспечить содержание метана в воздухе в пределах норм безопасности» и «во всех случаях, когда на участках ведения очистных и подготовительных работ метаноносность пласта составляет 13 м3/т и более». Кроме того, приказом от 5 июля 2007 года № 451 руководителя Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору «Об аварии в филиале «Шахта Ульяновская» ОАО «ОУК «Южкузбассуголь» запрещено «с 01.05.2007 проектирование отработки пластов угля без предварительной дегазации с природной газоносностью более 9,0 м/т».
Для повышения эффективности извлечения метана из угольных пластов требуется решение ряда задач:
Разработка способа повышения газоотдачи пласта в процессе его дегазации
Основной проблемой пластовой дегазации является низкая скорость газоотдачи угольных пластов. Ее решение требует проведения исследований по всем возможным направлениям воздействия на угольный массив с использованием теоретических и экспериментальных лабораторных и натурных исследований с целью раскрепостить содержащийся в нем газ для обеспечения свободного его поступления в дегазационные скважины. Требуются фундаментальные исследования, в том числе на уровне нанотехнологий, по повышению интенсивности и объема газоотдачи пласта в дегазационные скважины за счет воздействия на десорбционные свойства угля. Известен опыт создания щелей в угольном массиве для увеличения обнажений [1, 2, 3] поверхности и, соответственно, интенсивности газовыделения из пласта. Можно гипотетически представить применение для повышения газоотдачи пластов каких-либо немеханических способов воздействия на массив, например, химического, электромагнитного и т. п.
Разработка оборудования для осуществления сква-жинно-щелевого способа дегазации угольных пластов
Дегазационные скважины для предварительной пластовой дегазации выемочных столбов бурятся из оконтуривающих вы-
емочный столб подготовительных выработок на всю ширину столбов, достигающую 300 м и более. Как правило, при применении существующих буровых установок, в том числе зарубежного изготовления, в сложных горно-геологических условиях шахт Кузбасса на значительных глубинах удается пробурить дегазационные скважины лишь на половину или несколько более необходимой их длины.
Некоторыми зарубежными компаниями предлагаются технологии и мощное оборудование для направленного бурения скважин с поверхности. Но такое бурение остается невостребованным шахтами. Для этого есть следующие причины.
Во-первых, экономически бурение дегазационных скважин с поверхности с перебуриванием залегающей над пластом толщи пород невыгодно, а направленное бурение из горных выработок пока технически трудно осуществимо.
Во-вторых, регламентируемые нормативными документами схемы дегазации разработаны для условий бурения из оконту-ривающих выработок, когда дегазационные скважины бурятся из равномерно расположенных по длине одной из оконтури-вающих выемочный столб выработок параллельно друг другу или веерами. Осуществить такую схему бурения с поверхности очень трудно. Необходимы специальные исследования по разработке способов и схем дегазации именно для направленного бурения с поверхности, их основательная шахтная проверка и внедрение и разработка нормативно-методической базы для их применения на шахтах.
Более целесообразной представляется создание буровой техники, позволяющей бурить на больших глубинах разработки в сложных условиях Кузбасса дегазационные скважины длиной, соответствующей ширине выемочных столбов, из горных выработок с обеспечением необходимой точности бурения.
Создание такой буровой техники позволило бы вернуться к вопросу совместного применения дегазации и увлажнения угольных пластов. Как установлено проведенными ранее исследованиями, предварительная дегазация пласта повышает водопроницаемость пласта и делает его увлажнение более эффективным. Данное мероприятие комплексно снижает выбро-соопасность и запыленность горных выработок и в разы уменьшает скорость газовыделения из угля в процессе его от-
бойки, при котором в основном происходят загазирования выработок.
Буровая установка должна быть оснащена аппаратурой, позволяющей контролировать направления скважин и их длины. Чтобы выдерживать эти параметры, необходимо иметь фактические траектории бурения скважин. Это позволит также видеть и выдерживать расстояния между скважинами, при превышении которых остаются недегазированными отдельные зоны пласта.
Для построения траектории необходимо выполнять инкли-нометрические съемки. Такие съемки имеют место при бурении разведочных скважин с поверхности, хотя точность их очень низка. Оборудования для их выполнения при бурении из подземных выработок практически не существует.
В то же время на современном уровне развития электронной техники, очевидно, вполне реально разработать аппаратуру для непрерывного мониторинга траектории бурения скважин из подземных шахтных выработок. Траектория должна постоянно регистрироваться и отражаться в памяти компьютера с возможностью ее демонстрации в любой момент времени на мониторе в плоском или объемном изображении.
Для осуществления направленного гидроразрыва угольного пласта с целью увеличения поверхности газоотдачи в угольном массиве необходима высоконапорная насосная установка с достаточно большим расходом воды. Установка должна быть универсальной, чтобы ее можно было использовать при выполнении других мероприятий по обеспечению безопасности горных работ: направленного гидроразрыва вмещающих пласт пород, низконапорного увлажнения пласта для предотвращения газодинамических явлений и снижения запыленности шахтной атмосферы, гидроотжима и гидрорыхления призабойной части массива для предотвращения внезапных выбросов, предварительного нагнетания воды в замерную камеру при применении оперативного измерения давления газа в массиве и др. Для этого она должна позволять регулировать давление воды от единиц до десятков МПа и расход воды от единиц до тысяч л/мин.
Необходимо также создание надежного оборудования для нарезки инициирующих щелей, обеспечивающих направленность их развития при гидроразрыве угольного пласта, разра-
ботаны в ИГД СО РАН и ИУ СО РАН на имеющие аналогов специальные инструменты - щелеобразователь для образования инициирующей щели в скважинах и уравновешенный пакер с новым типом клапана, позволяющий повысить надёжность герметизации нарезаемой инициирующей щели с двух сторон.
1.3. Создание горнопроходческих и горнодобывающих машин для угольных пластов с высокой газодинамической активностью
В настоящее время практически нет проблемы увеличения добычи угля на пологих и наклонных угольных пластах с точки зрения производительности горной техники. Отечественными и зарубежными производителями разработаны и предлагаются на рынке мощные проходческие комбайны и механизированные комплексы для очистных забоев, обеспечивающие практически любую реальную производительность горных работ. Однако все они имеют существенный изъян. Они не предназначены для отработки газоносных и вы-бросоопасных угольных пластов.
Необходима разработка горнопроходческих и горнодобывающих машин с программным управлением, обеспечивающим безопасный гибкий режим их работы с уменьшением или увеличением темпа отбойки угля от массива в зависимости от проявления газодинамической реакции пласта на отбойку угля.
Для исключения аномальных газопроявлений необходимо оснащение комбайна автоматизированной системой, увязывающей интенсивность газовыделения при отбойке угля с режимом работы машины. При увеличении данного параметра производительность машины должна автоматически снижаться, и наоборот.
Что касается внезапных выбросов угля и газа, то существует технология их предупреждения, представляющая собой под-вигание забоя выработки с невыбросоопасными параметрами [4, 5].Ее суть продемонстрирована на рис. 1, где схематично показано изменение зоны влияния выработки на напряженное состояние призабойной части массива х во времени I при движении забоя, начиная от ее величины хх, соответствующей остановке забоя на длительное (теоретически бесконечное) время.
В течение времени выемки угля в забое Л ^( 1 - 1, 2, 3,..., п - номер цикла выемки угля от начала подвигания) зона влияния начинает резко сокращаться, а затем, в течение последующего промежутка времени Л /"¡, соответствующего работам по креплению выработки и различным вспомогательным операциям, она вновь увеличивается. В результате получается пилообразная кривая изменения зоны влияния выработки во времени, средняя величина которой уменьшается, а через некоторое время при выдержанном графике проходки становится постоянной.
Для конкретных условий проведения выработки существует критическое значение протяженности зоны влияния выработки хкр, соответствующее равенству равнодействующих активных сил, стремящихся разрушить массив, и пассивных сил, препятствующих его разрушению. Если зона влияния уменьшается до величины менее хкр,, то становится возможным внезапный выброс. Так как величина зоны влияния выработки х зависит от параметров подвигания забоя, то, выбирая расчетным методом такие параметры подвигания забоя, при которых х не будет снижаться до хкр, можно избежать внезапных выбросов.
Чем меньшими заходками будет выниматься уголь в забое, тем плавнее будет кривая изменения х, обеспечивая большую среднюю скорость подвигания забоя. Кривая 2 соответствует непрерывному подвиганию забоя с помощью проходческих комбайнов, позволяющих выполнять выемку угля сразу по всему сечению забоя (типа «Караганда 7/15, «Союз-19у»).
Однако и при применении таких комбайнов х может снизиться до значения менее критического, т. е. возможность выброса не исключается.
Безопасный режим работы комбайнов можно обеспечить для проходческих комбайнов регулированием диаметра и глубины внедрения в массив рабочего органа, порядком отбойки угля по сечению забоя, скоростью перемещения в плоскости забоя рабочего органа при отбойке угля, а для очистных комбайнов - шириной вынимаемой ленты угля, величиной и стабильностью скорости подвигания комбайна по лаве, порядком подвижки механизированной крепи вслед за комбайном. Необходимо также устанавливать наиболее безопасное распределение циклов отбойки угля во времени.
Рис. 1. Изменение во времени протяженности зоны влияния выработки на напряженное состояние призабойной части пласта х в процессе подвигания забоя: 1 - выемка угля заходками; 2 - непрерывная выемка
Для обеспечения невыбросоопасных параметров отбойки угля они должны задаваться программой в зависимости от горно-геологических условий проведения выработки. Желательно, чтобы комбайны могли хотя бы во время осуществления цикла отбойки угля в забое работать как роботизированные механизмы с тем, чтобы рабочие во время этого процесса были выведены из забоя на случай развязывания ГДЯ. При проектировании комбайнов необходимо скомпоновать их с достаточно мощной буровой установкой для бурения коротких (до 20 м) опережающих (разгрузочных) скважин, которое наиболее часто применяется в качестве локального способа предотвращения ГДЯ. Это позволит исключить требующие больших затрат времени процессы разминовки комбайна и буровой установки.
При высокой производительности буровой установки, удобно вмонтированной в комбайн, можно при небольшой мощности потенциально выбросоопасной пачки практически выбуривать в ней опережающую забой щель и тем самым быстро снимать газодинамическую активность забоя, предупреждая как выбросы, так и загазирования выработок. Установка позволит оперативно бурить и другие необходимые скважины.
Из изложенного следует вывод, что необходимо создание комбайнов на профессиональной основе, позволяющих выполнять указанные выше функции при проведении выработок и ведении очистных работ на угольных пластах с высокой газоносностью и склонностью к газодинамическим явлениям. Созданию комбайнов должна предшествовать научная проработка учеными и специалистами данного вопроса с выходом в виде технического задания на их проектирование и изготовление.
Необходимо также создание надежного оборудования для нарезки инициирующих щелей, обеспечивающих направленность их развития при гидроразрыве угольного пласта.
1.4. Управление горным давлением в механизированных очистных забоях
Поскольку в настоящее время в очистных забоях пологих и наклонных угольных пластов работают мощные механизированные комплексы, защищающие работающих в забоях от каких-либо опасных динамических проявлений со стороны кровли, то имевший раньше большое значение вопрос управления кровлей несколько утратил свое значение. Однако увеличение
глубин горных работ показало, что этот вопрос нельзя оставлять без внимания. Примером послужила отработка пласта XXVII лавой № 33 в ОАО «Шахта «Первомайская» в 20062008 годах. Вследствие наличия мошной и прочной основной кровли и ее зависания со стороны отработанного пространства и в указанной лаве, а также наличия зон ПГД вследствие оставления целиков на соседнем пласте создалась очень большая нагрузка на механизированную крепь и краевую часть пласта. Механизированная крепь выдержала нагрузку, но начали происходить газодинамические явления в забое лавы, представляюшие собой резкие разрушения пласта на кромке забоя с выделением значительных объемов газа и угрожаю ших безопасности горных работ. Эти явления имели свои отличительные особенности. Они не прогнозировались сушествуюшими на настояшее время методами. т. к. их возникновение зависит от поведения очень мошной и прочной основной кровли пласта.
Предполагается, что развязывание динамического явления определяется процессами в основной кровле пласта. Труднообрушаемая кровля пласта на определенном расстоянии от забоя лавы начинает расслаиваться и образует консоль позади забоя лавы. По мере подвигания забоя лавы на консоль начинают обрушаться породы вышележаших слоев, создавая мгновенные пригрузки на нее, а через нее на краевую часть пласта, которая в то же мгновение разрушается в виде горного удара. Поэтому сушествуюшими способами дискретной оценки опасности эти явления не прогнозируются.
Для предотврашения данных явлений понадобилось снизить нагрузку на призабойную часть пласта вследствие воздействия зависшей консоли кровли пласта. Удалось это благодаря организации автоматизированного контроля за давлением в гидросистемах секций крепи, позволившему снизить нагрузку на призабойную часть пласта, и применению направленного гидрорасчленения для отрыва части основной кровли на глубину 20 м. В настояшее время эта технология является единственно приемлемой для управления труднооб-рушаемыми кровлями в механизированных очистных забоях.
Поскольку снижение нагрузки на секции крепи снижает опасность по газодинамическим явлениям, то встает вопрос о
выборе механизированной крепи в соответствиями условиями работы очистных забоев. При этом механизированные комплексы в обязательном порядке должны комплектоваться аппаратурой автоматизированного контроля за их работой.
Для успешного применения направленного гидрорасчленения для управления кровлей необходима разработка технических средств, позволяющих осуществлять бурение в прочных породах кровли по длине очистного забоя на необходимую глубину и снизить трудоемкость процесса создания инициирующей щели и герметизации скважин для гидроразрыва.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ножкин Н.В. Заблаговременная дегазация угольных месторождений. - М.: Недра, 1979. - 271 с.
2. Сластунов С.В. Управление газодинамическим состоянием угольного пласта через скважины с поверхности. - М.: МГИ, 1991 - 214 с.
3. Временное руководство по дегазации шахтных полей Карагандинского бассейна с гидравлическим расчленением свит угольных пластов. / Ножкин Н.В. - М., 1975. - 220 с. - (МГИ).
4. Зыков В.С. Внезапные выбросы угля и газа и другие газодинамические явления в шахтах. - Кемерово: ООО «Фирма ПОЛИГРАФ», 2010. -334 с.
5. Руководство по предупреждению внезапных выбросов угля и газа в очистных забоях угольных шахт. 2-е изд., исправленное / В. С. Зыков, Г. Н. Фейт, И. В. Желтков и др. - Кемерово, 2002. - 34 с. - (НЦ ВостНИИ). ИШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Зыков Виктор Семенович - доктор технических наук, профессор, заместитель директора по научной работе Института угля СО РАН, ук-ovvs@icc.kemsc.ru
А
