CC BY
54
-------------------------------- © С.Ф. Попов, А.В. Брайцев,
Н.И. Устинов, А.В. Лиманский, 2005
УДК 622.2
С. Ф. Попов, А.В. Брайцев, Н.И. Устинов,
А.В. Лиманский
ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ВЫЕМКИ ПОЛОГИХМЕТАНОНОСНЫХПЛАСТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДЕГАЗАЦИИ УГОЛЬНОГО МАССИВА ВЫРАБОТКАМИ И СКВАЖИНАМИ
~П опросы обеспечения условий для высокопроизводитель-М.М ной и безопасной работы горной техники на газоносных пластах становятся все более актуальными, особенно при отработке перспективных пластов, на которых необходимо добывать в очистных забоях 3000-8000 т/сут.
В настоящее время пологие газоносные пласты мощностью 1,512 м разрабатывают в основном на шахтах Печорского и Кузнецкого бассейнов. При глубине горных работ 250-300 м природная газоносность пластов составляет 12-15 м3/т, на глубине 400 -500 м и более - 20-25 м3/т. Как показывают расчеты, максимально допустимая нагрузка на забой по метану при вынимаемой мощности пласта 1,71,9 м не превышает 1000-1400 т/сут. (пласт Четвертый, Воркутин-ское месторождение). Применяемые средства механизации выемки угля в лаве могут обеспечить в данных условиях нагрузку в пределах 3000-5500 т/сут.
Схемы вскрытия, подготовки и отработки свиты газоносных пластов мощностью от 1,5 до 12 м рассматриваются применительно к горно-геологическим условиям угольных шахт Кузнецкого и Печорского бассейнов. Отработку свит газоносных пластов целесообразно начинать с самого нижнего пласта, что позволяет дегазировать вышележащие пласты на расстоянии до 30 вынимаемых мощностей подрабатывающего пласта, т.е. на расстоянии 120-150 м. Такой способ отработки пластов принят на шахте “Dartbrook” в Австралии [1]. При дегазации подработанных 5-6 пластов мощностью
2,5-20,0 м горизонтальными скважинами длиной 200-600 м, пройденными над пластом по породе, дебит газа из одной скважины колеблется в пределах 0,5-6 м3/мин. В вертикальную скважину, пройденную с поверхности, дебит газа составлял 60-80 м3/мин. Расстояние между скважинами - 200-250 м. Общий дебит из 6 вертикальных скважин - 300 м3/мин или 60 % от общего газовыделения в выработанное пространство (500 м3/мин). На участок подается 50007000 м3/мин воздуха на одну лаву с добычей 10 000 т/сут.
В Кузнецком бассейне сближенные угольные пласты залегают мощными свитами. Например, для шахты “Распадская” можно предложить при существующей схеме вскрытия свиты пластов (3-3а; 6-6а; 7-7а; 9, 10) главным наклонным и вертикальным воздухоподающим стволом восходящий порядок отработки, начиная с пласта 6-6а мощностью 4,35 м. Безопасное расстояние подработки пласта 7-7а (более 6 т или более 26 м) при этом соблюдается. Дегазацию участка осуществляем перекрещивающимися скважинами по пласту 6-6а (Кэф = 0,2^0,4) и вертикальными скважинами с поверхности земли или из выработок, пройденных по верхнему пласту свиты.
Подрабатывающий или другие пласты свиты при ином порядке отработки следует отрабатывать, как правило, без оставления целиков угля шириной более 10 м около выемочных выработок. Расположение выемочных выработок и способы их охраны определяются мощностью пласта и обрушаемостью пород основной кровли.
Для пластов мощностью 1,5-2,5 м предлагается вариант системы разработки длинными столбами по простиранию с повторным использованием конвейерного штрека (рис. 1). Выемочный столб делится на 2 части, в каждой из которых работает одношнековый комбайн и один конвейер. Эту схему применяют на калийных рудниках Белоруссии [2], на шахтах КНР [3] и Германии [4]. Эта схема позволяет удвоить допустимую нагрузку на лаву по метану.
Для охраны штрека за лавой целесообразно применять костры из облегченных железобетонных брусьев с деревянными прокладками [5]. Штреки шириной 4,5 м будут закреплены сталеполимерными анкерами длиной 2-2,4 м.
Для пластов мощностью 2,5-5,0 м с легко и среднеобрушаемы-ми породами кровли предлагается вариант системы разработки с охраной выемочного штрека временным целиком угля (рис. 1).
Рис. 1. Системы разработки для пологих пластов средней мощности (до 5 м)
Штрек трехугольной формы за лавой поддерживается с помощью анкерной крепи, включающей канатные анкеры длиной до 3,54,0 м (опыт шахт Германии).
При труднообрушаемой кровле для поддержания штрека за лавой оставляется “податливым” целиком угля шириной 8-10 м (рис. 1) по опыту шахт США [6].
Для отработки мощных пологих пластов (III; ГУ-У; 3-3а; 2) наклонными слоями предлагается последовательная отработка 2-х слоев мощностью по 2,5-5м.
При неслеживающихся породах непосредственной кровли верхний слой отрабатывают с оставлением целиков угля шириной 30-50 м (рис. 2). При этом осуществляется предварительная дегазация мощного пласта путем бурения дегазационных скважин диаметром 120 мм длиной до 150 м через 10 м по простиранию по верхнему и нижнему слоям. Срок действия скважин не менее 6 месяцев с эффективностью 50 % [7]. При отработке нижнего слоя осуществляется выпуск угля из целиков верхнего слоя, как это было осуществлено на шахте “Казахстанская” в Карагандинском бассейне [8]. При необходимости возможно разрушение прочных пород основной кровли путем торпедирования.
Предлагаемые технологические схемы горных работ позволяют повысить подачу воздуха в лаву (см. рис. 1), дегазировать спутники в кровле в районе кутка лавы. Кроме того, за счет применения очистных комбайнов крупного скола возможно в 2 раза уменьшить количество штыба (с 40-45 до 20-25 %) и снизить на 30-35 % выделение метана в лаву из отбитого угля [9]. При увеличении количества подаваемого воздуха в лаву и на участок в будущем возможно увеличение допустимой концентрации метана на исходящей струе из лавы до 1,5 %, как это принято на шахтах Польши, Германии и США.
В соответствии с «Руководством по проектированию вентиляции угольных шахт» [10] и исследованиями сот-рудников ИГД им. А.А. Скочинского [11] определим допустимую нагрузку на лаву по метану для схемы на рис. 1, а. Количество метана, выделяющегося из пласта и спутников, которые можно удалить с помощью вентиляционной струи, поступающей в лаву:
1 U-
М-ч Ч i i 4+- I 1 | ¡ 1 i 1 i ! ! < i? 1 i i i i i*-* ñ l i l i 1 1 ' \ il i i 1 i i ' Thi—1 Tj
Т-в— ! 1 1 , _ X. . o i» o CM t O m t* * ■ г -I. . BepxHUrt Ф— 250 £ C.*o¿2
_ 1 . > 4--?- 800 -1500 4 —-— — **■
Рис. 2. Система разработки наклонными слоями для мощных пологих пластов с последовательной отработкой слоев
J = п . 60 •Vmax • S* •Ко •С , м3/ (1)
100 • КН /мин
где Vmax- допустимая скорость воздушной струи в лаве, равная 4 м/с; сечение лавы при вынимаемой мощности пласта 2 м для крепи
М137/4 - 4,7 м2; С - допустимая концентрация метана на исходящей струе лавы, 1%; Коз - коэффициент, учитывающий поток воздуха через выработанное пространство вдоль лавы - 1,3; Кп - коэффициент неравномерности выделения метана - 1,4; п - число частей лавы, проветриваемых раздельно - 2.
J = 2. 60 •4 •4,7 • ^ •10 = 21 м3/ л 100 • 1,4 /мин
Определим количество метана, которое выделяется в лаву из разрабатываемого пласта при различных скоростях подвигания очистного забоя [10].
Остаточная метаноносность угля (хь м3/т) определяется по формуле:
х1 = х-(1 - к-е"п)-кь м3/т, (2)
где х - природная метаноносность пласта на шахтах Кузбасса на глубине 400-500 м, 20 м3/т; х = 1;
п = 0,26-Уоч (3)
где Уоч - скорость подвигания лавы, равная 2, 4, 6, 8, 10 и 12 м/сут;
Кл = 1 ^ 0,115-7^7 (4)
где ТТ - время транспортирования угля по лаве длиной 250 м при скорости цепи конвейера 1 м/с - 4 мин;
Кл = 0,78
Количество метана, выделяющегося из пласта и отбитого угля в лаву,
'л = Кпл • (х - ХД МУт (5)
где Кпл - коэффициент дегазации пласта выемочными штреками I —14 • п
Кпл = , (6)
1л
где 1л - длина лавы 250 м; 14 - ширина полосы дренирования пласта, м; п - число полос дренирования - 4.
250—14•4 Кт = 14 4 = 0,78
250
При четырех выемочных штреках (рис. 1, б) Кпл = 0,67 Значения х^ Кпл (х-х1) и Jл приведены на рис. 3.
сн4
м3/т; м3/мин
м|сут
О 2 4 54 15 8 10 12 14
Рис. 3. Газовыделение в лаву и на участок в зависимости от скорости подви-гания очистного забоя: 1 - Х1, м3/т; 2 - Кпл •(х-х1), м3/т; 3 - 3оч, м3/мин; 4 - Зу, м3/т; х = 20 м3/т.
Количество метана, выделяющегося из выработанного пространства, не зависит от скорости подвигания лавы и составляет 60 % от метановыделения из пласта при скорости подвигания лавы 2 м/сут. При этом коэффициент дегазации скважинами в кровле пласта спутников равен 0,7. Скважины по породам кровли диаметром 90-120 мм пробурены из нижнего штрека через 30-40 м по простиранию [12]. Коэффициент безопасности (Кб) на со-
пряжении лавы со средним штреком менее 1, так как к сопряжению подходит воздух из верхней и нижней частей лавы [10].
Общее выделение метана в лаву показано на рис. 3, кривая 4. Проводим горизонтальную линию на отметке 21 м3/мин согласно формулы 1 и получаем допустимую по метану скорость подвигания лавы длиной 250 м при мощности пласта 2,0 м и плотности угля -1,4 т/м3 и тогда допустимая по метану нагрузка на лаву составит:
Ал = m ■ 1л ■ р-Vn = 2 • 250 • 1,4 • 5,5 = 3800 т/сут
Г одовая нагрузка на лаву:
Агод = 270 дн ■ 3800 т /сут » 1 млн.т
При допустимом содержании метана на исходящей из лавы струе - 1,25 % вентиляционная струя может удалять из участка метан в объеме 26 м3/мин. Тогда допустимая скорость подвигания лавы по метану составит 9 м/мин, а нагрузка на лаву по метану 6300 т/сут или 1,7 млн т угля в год.
Для сравнения укажем, что при промежуточной схеме проветривания участка при обычной лаве допустимая нагрузка по метану составит 1500 т/сут без дегазации пласта скважинами.
Для проведения одиночного среднего штрека со скоростью 250 м/мес или 10 м/сут необходимо подавать в забой 12 м3/с свежего воздуха [13]. Современный вентилятор местного проветривания «Томского электромеханического завода» типа ВМЭ2-10 обеспечивает подачу в забой воздуха до 15 м3/с по трубопроводу диаметром 1000 мм на расстояние до 2500 м.
Таким образом деление лавы с одним механизированным комплексом на две раздельно проветриваемые части, каждая из которых отрабатывается одним одношнековым позволяет резко увеличить нагрузку по метану на один очистной забой при высокой мета-ноносности пласта.
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Deguchi G. Japanese RD Cooperation on Coal Mine Safety. Coal and Safete, 2002, № 20 - С. 1-16.
2. Петровский Б.И. и др. Совершенствование технологии разработки Старо-бинского калийного месторождения // Горный журнал. - 2003. - № 12. - С. 27-31.
3. Юнгуан В. и др. Дренаж метана в КНР. The mining Engineer, 1993, XI. - С. 141-144.
4. Шлотте В., Бранд Й. 50 лет исследований в угольной промышленности -газовыделение, проветривание, микроклимат // Глюкауф . - 2003. - № 4 - С. 23-30.
5. Демченко А.И., Кулассек М. Инженерное обеспечение устойчивого проветривания высоконагруженных лав в горно-геологических условиях пласта d4 шахты “Красноармейская - Западная № 1” // Глюкауф. - 2003.- № 4 - С. 45-50.
6. Lyles J. Alabama perseves Despite Market Tolls // Coal Age. 2000, 07 - С. 2835.
7. Дьячков А.И., Галанин А.Ф. Эффективность различных схем предварительной дегазации мощных пологих пластов Кузнецкого бассейна. ТЭК и ресурсы Кузбасса. 2001, № 3.- с. 124-127.
8. Саламатин А.Г. Подземная разработка мощных пологих угольных пластов. - М.: Недра, 1997, 407 с.
9. Кузьмин Д.В. Исследование остаточной метаноносности добытого угля при разработке пластов пологого и наклонного падения в условиях Донецкого бассейна. Авт. диссертации на соискание ученой степени канд. техн.наук М., 1970, 19 с.
10. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. Макеевка-Донбасс, 1989, 319 с.
11. Устинов Н.И., Воронюк Ю.С. Возможности повышения производительности очистных забоев при разработке газоносных пластов // Научн. сообщ./ ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского - М., № 324/2003/ - С. 47-55.
12. Руководство по дегазации угольных шахт России - М., ННЦ ГП - ИГД им. А.А.Скочинского, 2002, 216 с.
13. Судоплатов А.П. и др. Разработка угольных месторождений короткими очистными забоями. - М.: Углетехиздат, 1962, 304 с.
— Коротко об авторах
Попов С.Ф., Брайцев А.В., Устинов Н.И. Лиманский А.В. - ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского.
