Выбор оптимального местоположения газоотсасывающей установки для проветривания очистного забоя Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Н.И. Устинов, Ю.С. Воронюк, С.П. Щеголев, 2002

УДК 622.457

Н.И. Устинов, Ю.С. Воронюк, С.П. Щеголев

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ГАЗООТСАСЫВАЮЩЕЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРОВЕТРИВАНИЯ ОЧИСТНОГО ЗАБОЯ

При отработке пологих пластов мощностью до 5м наибольшее распространение получила система разработки длинными столбами по простиранию. При панельной подготовке наиболее распространен вариант лава-ярус, при котором подготовка столбов заключается в проведении ярусных конвейерных штреков от панельного бремсберга (уклона) до границ панели. На пластах мощностью 2,55 м подготовку выемочных столбов производят спаренными штреками с последующим погашением временного целика угля шириной 30-50 м. При отработке выемочного столба присечной вентиляционный штрек проводят участками по 100-150 м, что сокращает затраты на его поддержание.

Использование спаренных штреков позволяет поддерживать впереди лавы два вентиляционных штрека, один из которых находится в благоприятных условиях поддержания и по нему проходит основная часть исходящей из лавы вентиляционной струи воздуха, а по второму (присечному) штреку производится отвод исходящей струи из верхней части лавы (межлавного целика).

Однако, при отработке пластов с труднообрушаемыми породами основной кровли возникают трудности с поддержанием присечного штрека. Постоянно наблюдались отжим угля в штрек и разрушение его крепи. Штрек постоянно находился в аварийном состоянии, и расход воздуха в верхней части лавы против межлавного целика снижался с 250-300 до 30-50 м3/мин, в результате чего в верхней части лавы образовывались метановоздушные смеси с повышенным содержанием метана.

Поэтому на шахте «Распадская» при отработке пластов 7-7а, 6-6а и 9 при подготовке выемочного столба отказались от проведения присечного штрека и стали проветривать верхнюю тупиковую часть лавы путем отвода исходящей струи через выработанное пространство с помощью вентиляторной установки ВМЦГ-7 (рис. 1). В результате при отработке лав 4-7-17, 4-7-19, 4-7-21, 5а-7-22, 5-6-4, 5а-6-10, 4-9-17 и 4-9-19, в которые подавалось около 1000 м3/мин

воздуха, постоянно поддерживалась допустимая концентрация метана 0,5 % около вентиляционного штрека, расположенного ниже целика угля, и менее 1 % на исходящей струе. Данная схема проветривания обеспечивала высокие

нагрузки на лаву до 4500 т/сут при общей метанообильности участка до 10 м3/мин.

Аналогичные схемы проветривания применяются и на других шахтах Кузбасса со сходными горногеологическими условиями.

Вентиляторная установка размещается обычно в диагональной разрезной печи или на фланговом бремсберге (уклоне), а отсасываемая метановоздушная смесь через смесительную камеру отводится в исходящую струю выемочного участка. По мере подвигания очистного забоя вентиляторная установка переносится в следующую диагональную разрезную печь. Но осуществляется это без достаточного научного обоснования, поскольку определение предельно допустимого расстояния между всасом газоотсасывающего вентилятора и очистным забоем до сих пор не проводилось, и оно устанавливалось чисто эмпирически, по существующему опыту эксплуатации газоотсасывающих установок.

Нами были проведены исследования на выемочных участках шахты «Распадская», оборудованных газоотсасывающими установками, по изучению изменения потерь давления при движении метановоздушных смесей по неподдерживаемым выработкам при различном удалении всаса газоотсасывающего вентилятора от движущегося очистного забоя.

На выбранных объектах исследований ежедекадно проводились депрессионные съемки [1, 2]. Для этого вся вентиляционная сеть участка разбивалась на ветви и определялись узловые пункты, в которых, кроме расхода воздуха, микробарометром типа БМЦ замерялось давление воздуха. Направления, по которым проходили маршруты депрессионных съемок, совпадали с маршрутами газовоздушных съемок и состояли из последовательно соединенных вентиляционных ветвей. Границами ветвей являлись узлы, в которых происходило слияние или разделение вентиляционных струй. Микробарометры, с помощью которых проводились депрес-сионные съемки, обеспечивали измерение давления воздуха в диапазоне 730-880 мм рт. ст. Депрессия, определяемая по результатам одновременно выполненных замеров давления в двух или нескольких пунктах вентиляционной сети, составляла не менее 10-кратной абсолютной погрешности микробарометра.

Депрессию ф, кгс/м2) определяли по формуле ДНу

h = р1 - р2 ± —Т“Г, (1)

13,6

где Р1 и Р2 - давление воздуха, замеренное микробарометрами соответственно в начальном и конечном узлах ветви (по ходу струи, кгс/м2); ДН - разность абсолютных отметок пунк-

Рис. 1. Управление газовыделением из выработанного пространствана выемочных участках шахты «Распадская» с помощью газоотсасывающего вентилятьра ВМЦГ-7: 1 - свежая струя воздуха; 2 - отработанная струя воздуха; 3 - неподдерживаемая выработка; 4 - вентилятор ВМЦГ-7; 5 - всасывающий трубопровод; 6 - нагнетательный трубопровод; 7 - смесительная

камера

Таблица 1

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕПРЕССИИ НЕПОДДЕРЖИВАЕМЫХ ДРЕНАЖНЫХ ВЫРАБОТОК НА ШАХТЕ «РАСПАДСКАЯ»

Лава Пласт Вынимаемая мощность пласта, м Мощность непосредственной кровли, м Время существования выработок, мес. Длина дренажной выработки, м Расход метановоздушной смеси, м3/мин Перепад давления воздуха, даПа

4-7-21 7-7а 3,6-3,9 21 30-41 250-920 370-420 20-65

5а-6-10 6-6а 4,0-4,2 19 32-36 670-900 300-380 32-55

5-6-4 6-6а 4,0-4,2 17 30-34 45-230 300-390 3-25

5-6-4 6-6а 4,0-4,2 17 32-41 350-930 300-350 46-107

тов, в которых были установлены микробарометры, м; у ■ средняя плотность воздуха, кг/м3

У = 0,23

т1

Р2

л

273 + ^ 273 +12

(2)

где tl и t2 - температура воздуха соответственно в начальном и конечном узлах ветви, С0.

Знак «+» в формуле (2) принимается, если начальный узел ветви ниже конечного (восходящее проветривание), и наоборот.

Результаты исследований представлены в табл. 1 и на рис. 2.

Длина неподдерживаемой дренажной выработки изменялась в диапазоне 45-930м, расход отсасываемой метановоздушной смеси составлял 300-420 м3/мин, перепад давления воздуха колебался в пределах 20-107 даПа.

По результатам экспериментальных исследований (рис. 2) получена зависимость изменения перепада давления воздуха от длины неподдерживаемой дренажной выработки, времени ее существования и расхода отсасываемой метановоздушной смеси

Ьд = ALд, (3)

где ^ - перепад давления воздуха газоотсасывающего вентилятора, даПа; Ьд - расстояние между очистным забоем и местом всаса газоотсасывающей установки, м; А - показатель интенсивности изменения перепада давления воздуха.

Зависимость (3) показывает, что изменение давления воздуха в дренажной выработке, помимо ее длины, обусловлено другими факторами, характеризующимися показателем А. Это, прежде всего, состояние неподдерживаемой дренажной выработки. Выработки проходятся по угольным пластам, залегающим в породах кровли и почвы, различных по литологическому составу и крепости. Основная кровля пластов в

пределах шахтного поля представлена средне- и труднооб-рушаемыми песчаниками средней крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова ^ = 7- 9). В непосредственной кровли платов залегают породы, состоящие из среднеобрушаемого алевролита крепостью f = 4 - 6. Однако, мощность непосредственной кровли у разных пластов различна: для пласта 7-7а - 15-25 м, пласта 6-6а - 15-20 м, а пласта 9 - всего 3-4 м.

Вынимаемая мощность пласта и мощность пород непосредственной кровли определяют степень обрушения и заполнения обрушенной породы выработанного пространства. С увеличением высоты обрушения в выработках, оставляемых в выработанном пространстве, сохраняются свободные каналы для движения воздуха, обуславливающие сравнительно низкий перепад давления. Однако, с увеличением времени существования неподдерживаемой выработки положительное влияние этого фактора снижается.

Зависимости для определения аэродинамических параметров неподдерживаемых выработок, приведенные в нормативном документе [3], не учитывают состояние выработок, обусловленное геологическими факторами. Поэтому нами сделана попытка восполнить этот пробел и представить показатель интенсивности изменения давления воздуха в неподдерживаемой выработке в следующем виде

А =

тв к0 - М

Мнк

^(Тд - 24^2смК

(4)

где тв - вынимаемая мощность пласта, м; ко - коэффициент, учитывающий кратность обрушения пород кровли; по рекомендациям [3] принимается равным 10; Мик - мощность пород непосредственной кровли, м; Тд - время существования дренажной выработки, мес.

Тд = Тк + Тн, (5)

где Тк - время существования дренажной выработки, когда она выполняла функцию конвейерного штрека при отработке вышерасположенной лавы, мес; Тн - время между окончанием работы вышерасположенной лавы и началом отработки выемочного поля действующей лавы, мес.; К - размерный коэффициент.

С учетом (4) зависимость для определения перепада давления воздуха в дренажной выработке после некоторых преобразований может быть представлена следующей формулой

Рис. 2. Изменение перепада давления воздуха в дренажных выработках, обусловленное расстоянием от ВМЦГ-7 до линии очистного забоя: 1 - лавы 5-6; 2 - лавы 4-7-21; 3 - лавы 5-6-10

Таблица 2

hв = 6,5 10-8 (твк0 Мнк )(Тд _24^2„^д, (6)

Мнк д д

а длина неподдерживаемой дренажной выработки определяется из выражения

104

Ьд = --------------------------------, (7)

/- г/-1 /твк0 Мнк уТ т/|ч

6,5^м(------М---------)(Тд _24)

Мнк

Расход метановоздушной смеси Qсм в соответствии с рекомендациями [3] принимается равным 0,3Qyт, где Qyт -утечки воздуха через выработанное пространство.

При определении Ьд по формуле (7) необходимо осуществлять проверку соответствия времени отработки выемочного поля его длине и по принятой скорости подвигания очистного

забоя корректировать время существования дренажной выработки, по которому определяется ее длина.

При отработке пластов, склонных к самовозгоранию, зависимость (7) можно применять при условии, что скорость подвигания очистного забоя должна быть не менее 40 м/мес, а на весьма склонных к самовозгоранию пластах - не менее 60 м/мес [4].

Зависимости (6 и 7) для определения ^ и Ьд получены в условиях разработки пластов мощностью 3,5-4,5 м, при перепаде давления воздуха в дренажных выработках 100-120 даПа и их длине - до 1000м (см. табл. 1).

Расчеты, выполненные для аналогичных условий, показывают, что при перепаде давления в дренажной выработке 100 даПа расстояние между очистным забоем и газоотсасывающей установкой изменяется в пределах от 425 до 1120 м.

На шахте «Распадская» оптимальное расстояние между очистным забоем и всасом вентилятора определялось опытным путем и равнялось расстоянию между промежуточными диагональными разрезными печами, в которых монтировались газоотсасывающие установки. При длине выемочного поля 1700-2200 м проходятся 3-4 печи, расстояние между которыми составляет 500-650 м. Эта величина находится в диапазоне значений, полученных расчетным путем (табл. 2). Такая длина неподдерживаемых дренажных выработок обуславливает сравнительно низкий перепад давления воздуха в них в пределах 70-100даПа, который не оказывает отрицательного влияния на режим проветривания действующих выработок выемочных участков и обеспечивает эффективное удаление метана в верхней части лавы и прилегающем к ней выработанном пространстве.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Руководство по производству де-прессионных и газовых съемок в угольных шахтах. - М.: Недра, 1975, 65 с.

2. Щеголев С.П. Исследование газового режима и разработка способов управления газовыделением на очистных участ-

ках шахт Томь-Усинского района Кузбасса. Канд. диссертация, - М. 1999, ННЦ Гп-ИГД им. А.А. Скочинского, 219 с.

3. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт// МакНИИ, -Макеевка - Донбасс, 1989, с. 130, 252-255.

4. Инструкция по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса // ВостНИИ, - Кемерово, 1999, с. 12-14.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Устинов Н.И. — кандидат технических наук, ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского. Воронюк Ю.С. — кандидат технических наук, ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского. Щеголев С.П. — кандидат технических наук, ЗАО «Шахта Распадская».