Full Text

На технологическую и экономическую эффективность подземной добычи угля весьма существенное влияние оказывает газовый фактор, который в первую очередь определяет безопасность труда. В подавляющем числе шахт мира с увеличением глубины горных работ повышается опасность образования скоплений и взрывов метановоздушных смесей, для предотвращения которых расходы на вентиляцию и борьбу с метаном в горных выработках постоянно увеличиваются [1-5]. Увеличение объемов и повышение рентабельности подземной добычи угля в шахтах при росте роли угля в общем потреблении теплоэнергоресурсов сдерживают постоянно увеличивающиеся затраты на добычу угля, одной из основных составляющих которых являются затраты на предотвращение и ликвидацию последствий негативных проявлений метана в шахтах и рост затрат на обеспечение безопасности подземных работ в условиях увеличения природного содержания метана в породных толщах. Одним из основных направлений по сокращению негативного влияния выделений метана в шахтах является шахтная подземная и наземная дегазация. При извлечении метана из под- и надрабатываемых пластов и выработанного пространства имеет место сокращение обычных выделений метана в шахтах, но практически не устраняется опасность скопления газа в подготовительных и очистных забоях, т.е. в местах непрерывного обнажения свежих метаноотдающих поверхностей угольных пластов. Сложившаяся ситуация вызвала необходимость существенного повышения безопасности труда в условиях роста выделений метана и создания конкурентоспособных технологий подземной добычи угля, одновременно учитывающих все технологические, экономические и экологические аспекты горных работ в усложняющихся геологических условиях [6-10]. В настоящее время существуют различные способы дегазации, которые базируются на бурении скважин с поверхности земли, по угольному пласту, в породы кровли и почвы. Необходимо отметить, что методы дегазации, существующие на шахтах, не в полной мере учитывают характер протекающих в углепородном массиве геомеханических процессов и реакцию на них различных по литологическому составу слоев пород. Изменения глубины работ, горно-геологических и геодинамических условий существенным образом влияют на безопасность работ, поведение горного массива, степень выделения и перераспределения метана в горных выработках. В настоящее время фактически отсутствуют достоверные и обоснованные технологии и методики определения пространственных и временных параметров источников газовыделения в горные выработки, что препятствует правильной организации работ по дегазации, целевому заложению дегазационных скважин на конкретные источники газовыделения, последовательности проведения буровых и дегазационных работ. Не рассматриваются проблемы интенсификации предварительной дегазации угольных пластов путем искусственного возбуждения в них геодинамических процессов, способствующих увеличению газоотдачи, что применяется на угольных месторождениях других стран. Не учитываются в должной степени и специфические горно-геологические условия пород Донбасса и отдельных его углепромышленных районов, такие как низкая проницаемость и повышение трещиноватости с глубиной горных работ [11-15]. Пластовая дегазация угольного пласта из подземных выработок имеет определенные ограничения по эффективности, что связано с ограниченным временем функционирования пластовых скважин (недостаточное временное опережение подготовительными работами очистных), снижением проницаемости пласта с увеличением глубины его залегания и невозможностью проведения активных воздействий на углепородную толщу для увеличения ее природной газопроницаемости из-за недостатка времени и близости горных выработок к объекту дегазации. Разработанный в Институте геотехнической механики НАН Украины метод гидродинамического воздействия на угольный массив позволяет интенсифицировать дегазацию из низкопроницаемых угольных пластов, сделать ее более глубокой, снизить и равномерно распределить горное давление, разрушить и увлажнить уголь, что позволяет максимально повысить эффективность и безопасность добычных работ[7] [16, 17]. Для повышения нагрузки на лаву и обеспечения безопасности горных работ в соответствии с «Временным руководством по интенсификации дегазации гидродинамическим воздействием отрабатываемых угольных пластов», «Программой и методикой интенсификации дегазации 23-й восточной уклонной лавы пласта способом гидродинамического воздействия на угольный пласт», «Проектом интенсификации дегазации 24-й западной уклонной лавы пласта СП “Шахтоуправления «Суходольское-Восточное»” способом гидродинамического воздействия на угольный пласт» и другими документами проводились горно-экспериментальные работы по интенсификации дегазации гидродинамическим воздействием угольного пласта Угольный пласт на глубине 1040 м отрабатывался 23-й восточной и 24-й западной уклонными лавами в условиях СП «Шахтоуправление “Суходольское-Восточное”» ОАО «Краснодонуголь». Пласт опасен по взрыву пыли и внезапным выбросам угля и газа. Природная метаноносность - 22,5-27,0 м3/т с.б.г.м., обводнен (приток до 2 м3/ч). Песчаники основной кровли и почвы выбросоопасны. Выемка угля осуществлялась комбайном 2ГШ-68 с механизированной четырехстоечной крепью 3КД-90т. Управление кровлей - полное обрушение. Дегазация лав осуществлялась путем бурения подземных скважин в породы кровли из воздухоподающих штреков вслед за подвиганием лавы кустами по три штуки с интервалом между устьями 15-20 м и отсосом газа поверхностной передвижной дегазационной установкой по имеющемуся трубопроводу одним насосом НВ-50. Общая эффективность дегазации пород кровли не превышала 60 %, что не позволяло достичь паспортной производительности комплекса. Исходя из ограничений по газовому фактору нормативная нагрузка на лаву составляла 1100 т/сут (три цикла выемки). При прогнозе «Опасно» и выполнении противовыбросных мероприятий - два цикла выемки в сутки. Из конвейерных штреков 23-й восточной и 24-й западной уклонных лав было пробурено 13 технологических и 11 дегазационных скважин диаметром 76 мм и длиной по углю до 100 м. Технологические скважины бурились через породы кровли на угольный пласт на расстоянии друг от друга 30-40 м, дегазационные - по угольному пласту и располагались между технологическими. По окончании бурения технологической скважины на необходимую длину ее породная часть разбуривалась до диаметра 150 мм под обсадные металлические трубы. Обсадные трубы диаметром 102-114 мм устанавливались в скважину и герметизировались песчано-цементным раствором. После затвердевания раствора на выступающий из скважины отрезок обсадной трубы производился монтаж модифицированной задвижки ЗВД200/4 для подачи жидкости в скважину и регулировка насосного оборудования. Гидродинамическое воздействие на угольный пласт заключается в периодической подаче в технологическую скважину воды под давлением не выше 10 МПа и сбросом его при открывании клина ЗВД-200/4 в течение 0,5-1,0 с до 0-2 МПа с выпуском пульпы, состоящей из разрушенного угля, газа и воды. Газовыделение из технологических скважин начиналось через сутки после воздействия. Одновременно с технологическими скважинами активно работали расположенные рядом дегазационные скважины. Радиус воздействия технологических скважин составил 25 м. В результате гидродинамического воздействия через технологические скважины на участке 24-й западной уклонной лавы концентрация метана в исходящих струях участка и лавы снизилась с 0,67 и 0,76 % до 0,38 и 0,47 % соответственно, т.е. в 1,8 и 1,7 раза. Динамика метановыделения из скважины представлена на рис. 1. Рис. 1. Динамика метановыделения из технологической скважины, пробуренной на ПК41+1 м Были обработаны участки угольного пласта суммарной протяженностью свыше 700 м и извлечено более 530 тыс. м3 метана. Коэффициент дегазации обработанных зон составил 0,31. При ведении очистных работ в этих зонах признаков газодинамических явлений не наблюдалось. Одновременно с отработкой параметров гидродинамического воздействия для интенсификации дегазации угольного пласта велись наблюдения за состоянием пород кровли в зоне обработки (рис. 2) и параметрами акустического сигнала при помощи системы АПСС[8]. Было установлено, что развитие межслоевых деформаций в толще пород кровли происходит до 30 м и на расстояние 60-80 м в обе стороны от скважины. При этом проявляется кратность, близкая к двум, что способствует равномерному развитию деформаций пород кровли и дегазации угольного пласта при его отработке. В результате равномерного распределения горного давления, разрушения и увлажнения угля вокруг скважин, интенсивного выделения метана изменяется напряженно-деформированное состояние углепородного массива. Контроль за этими процессами осуществлялся по параметрам акустического сигнала в процессе воздействия и во время работы очистного комплекса в зоне обработки по программам «Гидрорыхление» и Zond[9] [18]. Способ контроля выбросоопасности основан на зависимости параметров акустического сигнала, возникающего при воздействии на угольный пласт добычного оборудования, от напряженно-деформированного состояния массива и предназначен для выявления опасных по выбросам угля и газа зон непосредственно комбайновой части лавы и ниш. Для регистрации акустического сигнала на расстоянии 10-40 м от сопряжения лавы с конвейерным штреком на элементах крепи устанавливали сейсмоприемники (подземные блоки АПСС). Регистрация и обработка акустического сигнала осуществлялась одновременно по двум каналам и непрерывно в пределах одного цикла выемки угля - снятия полосы угля по всему забою или в нише. Обработку сигнала по программе Prognoz v.4 осуществляли после сообщения горного мастера или звеньевого оператору прогноза о расстоянии от пикета Рис. 2. Расположение и интенсивность ослабления межслоевых контактов (ОМК) в результате гидродинамического воздействия до забоя, положении комбайна в забое и времени начала работы комбайна по забою или в нише. Обработка сигнала завершалась после сообщения оператору об окончании работ по забою и о положении комбайна в лаве. Для контроля за технологическими процессами запись акустического сигнала на регистраторе осуществляли круглосуточно. Для качественной оценки выбросоопасности использовали коэффициент выбросоопасности, равный отношению высокочастотной составляющей к низкочастотной, и частоту максимальной амплитуды спектра. Прогноз «Опасно» выдавался в случае, если опасная ситуация фиксировалась не менее чем в двух циклах выемки на протяжении шести циклов подвигания забоя. Прогноз «Опасно» отменялся после получения последнего сообщения «Опасная ситуация» и отработки шестиметровой зоны запаса с прогнозом «Неопасно». За устойчивый рост значений коэффициента выбросоопасности принимали его увеличение в три и более раз на протяжении последних 20 циклов подвигания забоя. Границы опасных зон в очистном забое уточнялись бурением по всему забою контрольных шпуров с шагом 10 м и длиной не менее удвоенной мощности угольного пласта, но не менее 3,0 м. При бурении определяли величину зоны разгрузки по динамике начальной скорости газовыделения в соответствии с руководством [18]. Если минимальная безопасная глубина выемки была больше ширины полосы вынимаемого угля, то после двухчасового отстоя и повторного контроля величины зоны разгрузки разрешалась выемка полосы угля. На участке 23 восточной уклонной лавы пласта протяженностью 752 м прогноз «Опасно» выдавался 18 раз (все прогнозы в необработанной зоне), прогноз «Состояние ухудшается» - 91 раз (из них 88 раз в необработанной зоне и 3 раза в обработанной), прогноз «Опасно по проявлениям горного давления» - 30 раз (21 раз в необработанной зоне и 9 раз в обработанной). Удельная частота прогноза «Опасно» в необработанной зоне составила 0,03 раз/м (т.е. один раз каждые 33,3 м подвигания), в обработанной - не выдавался; прогноза «Состояние ухудшается» - 0,14 и 0,03 раз/м (в 4,7 раза реже) соответственно; прогноза «Опасно по проявлениям горного давления» - 0,03 и 0,08 раз/м (чаще в 2,7 раз) соответственно. Увеличение частоты последнего прогноза обусловлено выходом очистного забоя из обработанной зоны с увлажненным углем и входом в угольный пласт, который не подвергался гидродинамическому воздействию. Исследования изменения коэффициента выбросоопасности угольного пласта в результате гидродинамического воздействия при ведении работ по интенсификации дегазации 24-й западной уклонной лавы показали, что критическое значение коэффициента выбросоопасности для данных условий составляло не менее 3 (при достижении этого значения выдавался прогноз «Опасно»). Изменение коэффициента выбросоопасности по мере подвигания лавы приведено на рис. 3. Лава двигалась в направлении от монтажной камеры к грузовому уклону. Длина угольного столба составляла 900 м. Рис. 3. Изменение коэффициента выбросоопасности по мере подвигания очистного забоя к обработанной зоне: - дегазационная скважина; - технологическая скважина Из рис. 3 видно, что по мере отхода очистного забоя от монтажной камеры и увеличения консоли основной кровли величина коэффициента выбросоопасности постоянно росла и к 760 м впервые превысила критическое значение. До входа лавы в обработанную зону, начинающуюся с 560 м, из 1000 замеров в 30 случаях было зафиксировано значение коэффициента выбросоопасности более 3 (при этом максимальное значение составляло 4,8), а на участке длиной 4 м от 680 до 676 м таких значений было 12. Среднестатистический коэффициент выбросоопасности в необработанной зоне протяженностью 340 м (от 900 до 560 м) составил 1,2. При выемке угля в обработанной зоне коэффициент выбросоопасности существенно снизился. По данным 450 замеров его максимальное значение составило 2,1, а среднестатистическое значение на участке длиной 220 м (с 560 по 340 м) - 0,84. Это подтверждают замеры начальной скорости газовыделения из пласта и величины зоны разгрузки призабойной части пласта. Величины зон разгрузки угольного пласта после получения прогноза «Опасно» и выполнения противовыбросного мероприятия (гидрорыхления) показали эффективность его применения и в среднем составляли 3,5 м. Однако величина начальной скорости газовыделения из шпуров зачастую оставалась довольно высокой и достигала значений 5 л/мин, что свидетельствовало о высокой потенциальной энергии пластового метана. В результате гидродинамического воздействия величина начальной скорости газовыделения в обработанной зоне на глубине 3,5 м в среднем составляла 0,6 л/мин, т.е. в 3,3 раза меньше, чем после гидрорыхления. Таким образом, гидродинамическое воздействие приводит к существенному улучшению состояния угольного пласта с точки зрения его выбросоопасности, что обусловлено снижением содержания метана в пласте, увлажнением угля и расслоением пород кровли, способствующим равномерному развитию деформаций и перераспределению горного давления.

About the authors

Vyacheslav Ivanovich Gavrilov

Author for correspondence.
Email: igtm16@yandex.ru
49005, г. Днепропетровск,ул. Симферопольская, 2-А

кандидат технических наук, старший научный сотрудник отдела проблем подземной технологии разработки угольных месторождений Института геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины

References

Statistics

Views

Abstract - 193

PDF (Russian) - 73

Refbacks

• There are currently no refbacks.