Методические положения по выбору и применению новых технологий дегазации и управления метановыделением на угольных шахтах

Министерство энергетики Российской Федерации Российская академия наук ННЦ ГП - ИГД им. А. А. Скочинского

Министерство угольной промышленности Украины МакНИИ

ПО ВЫБОРУ И ПРИМЕНЕНИЮ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЕГАЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЕМ НА УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ

Люберцы - Макеевка 2000 г.

Российская академия наук

НАЦИОНАЛЬНЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА-ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА им. А. А. СКОЧИНСКОГО

(ННЦ m - ИГД им. А. А. Скочинского )

Министерство угольной промышленности Украины

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МАКЕЕВСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО БЕЗОПАСНОСТИ В ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ (МакНИИ)

УТВЕРЖДЕНЫ:

Генеральным директором    Директором    МакНИИ

ИНЦ ГТГИГД им.А.А. Скочинского

А.Д. РУБАНОМ    А.И.    БОБРОВЫМ

МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

ПО ВЫБОРУ И ПРИМЕНЕНИЮ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЕГАЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЕМ НА УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ

Люберцы - Макеевка 2000

Рис. 1.4. Схема отработки пласта длинными столбами по простиранию в восходящем норядае с охраной вмемо'шых штреков жесткими целиками угля: 1 - струя свежего воздуха; 2 - исходящая струя воздуха.

Рис. 1.6. Схема отработки пласта длинными столбами в односторонней панели в нисходящем порядке с охраной выемочных штреков: 1 - струя свежего воздуха; 2 - исходящая струя воздуха.

Метанообильность и нагрузка на лаву выемочных участков при различных схемах проветривания

Таблица 1.1

Шахта, пласт Метано обильность выемочного участка, м3/мин Схема проветривания выемочного участка Средства механи зации Нагрузка на лаву, т/сут «Полосухинская», 29а 7-9 Прямоточная на заднюю сбойку КМ- 138 2500 «Октябрьская», Полысаевский-2 5-8 Возвратноточная на массив угля КМ-144 3000 «Комсомолец», Бреевский Толмачевский 11-15 17-22 Прямоточная с подсвежением на заднюю сбойку Возвратноточная с отсосом метановоздушной смеси из выработанного пространства скважинами с поверхности 4КМ-138 4КМ-138 2400 3200 Им. С.М.Кирова, Болдырсвский 6-9 Прямоточная на заднюю сбойку КМ-138 2500

Им. 7 ноября, Надбайкаимский Байкаимский	4-7 7-9	Возвратноточная на массив угля Прямоточная с подсвежением исходящей из лавы струи воздуха	КМ-144 КМ-144	2800 2000
«Есаульская»,
29а	7-12	Прямоточная с подсвежением исходящей из лавы струи воздуха	КМ-138	3000
26а	12-17	Возвратноточная с отсосом метановоздушной смеси из выработанного пространства вентилятором ВМЦГ-7	КМ-138	2400
«Распадская»,
15	■ 5-7	Возвратноточна я с отсосом метано-	2КМ-130	2500
10	10-12	воздушной смеси из выработанного	3KM-138	3700
7-7а	15-19	пространства вентилятором ВМЦГ -7	2УКП5	5500
6-6а	17-22		«Longwall»	6500

Опыт разработки газоносных пластов высокопроизводительными лавами показывает (табл. 1.1), что при ме-танообильности выемочных участков до 10 м³/мин применялись возвратноточная на массив угля и прямоточная в сторону выработанного пространства схемы проветривания. При метанообильности выемочных участков 10-15 м7мин применялись, в первую очередь, прямоточная схема проветривания в сторону выработанного пространства на заднюю сбойку с подсвежением струи воздуха из лавы. При метанообильности 15-20 м³/мин прямоточные схемы не обеспечивали допустимую концентрацию метана в выработках выемочных участков, поэтому стали применяться возвратноточные схемы, дополненные принудительным отсосом метановоздушной смеси посредством вентиляторов ВМЦГ-7, установленных в подземных выработках или на вертикальных скважинах, пробуренных с поверхности. Вентиляторы ВМЦГ-7 устанавливались в разрезных печах впереди лавы, со стороны выработанного пространства на бремсбергах и уклонах, в отдельных случаях - на поверхности. По трубопроводу или выработкам, предназначенным для этой цели, метановоздушная смесь вентиляторами удалялась на поверхность. Это комбинированная схема проветривания выемочных участков, поскольку значительная часть воздуха (до 30-40%, а в отдельных случаях - до 50%) от общего подаваемого на участки забиралась вентиляторами, предназначенными для удаления мегановоз-душной смеси из выработанного пространства.

16

2. РАЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ПРОВЕТРИВАНИЯ ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ С ВЫСОКОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ очистных ЗАБОЕВ

Перспективными планами развития угольной промышленности России и Украины предусмотрено дальнейшее повышение технического уровня и эффективности производства на базе технического перевооружения предприятий и обеспечения их новой высокопроизводительной техникой. Передовые коллективы очистных участков ежесуточно должны добывать 2000-3000 т угля, а в отдельных случаях 5000-8000 т и даже 10000 т.

На участках газоносных пластов еще более актуальными становятся вопросы обеспечения условий для высокопроизводительной и безопасной работы горной техники по газовому фактору, поскольку технические возможности средств очистной выемки угля на пологих пластах в 3-4 раза превышают допустимую нагрузку на лаву по газовому фактору.

На выемочных полях со сложным газовым балансом, когда источниками метана являются разрабатываемый пласт, сближенные угольные пласты и газоносные породы, невозможно обеспечить высокопроизводительную работу выемочных машин без совместного применения эффективных способов проветривания очистных участков и комплекса способов дегазации источников газовы-деления. Поэтому на пластах с высокой газоносностью и различным газовым балансом выемочных участков необходимо обоснованно, с учетом факторов вентиляции и дегазации выбирать технологические схемы очистных работ.

17

2.1. Прямоточные схемы проветривания с под свежен нем

Наибольшие возможности для удаления максимального количества газа из выработанного пространства дает применение восходящего или нисходящего прямоточного проветривания очистного забоя с подсвежением исходящей струи, что практически исключает влияние газовыделения из выработанного пространства на допустимую нагрузку на лаву по газовому фактору. Поэтому нормативными документами [1, 2] для технологических схем разработки газоносных пластов рекомендовано прямоточное проветривание с обособленным разбавлением метана по источникам его выделения. По такой схеме проветриваются высокопроизводительные очистные забои Донбасса, Кузбасса и Воркуты.

На рис.2.1, 2.2 представлены варианты прямоточной схемы нисходящего проветривания лавы с подсвежением исходящей струи и отводом ее через заднюю сбойку на пройденный вентиляционный штрек смежного неотработанного яруса [3]. Опыт использования нисходящего проветривания выработок свидетельствует о рациональности и правомерности его применения. При нисходящем проветривании выемочного поля выполняют следующие условия: нисходящее проветривание в лаве, подачу свежей струи по вентиляционному и конвейерному штрекам; выдачу исходящей струи через завальную сторону конвейерного штрека на вентиляционный штрек нижележащей готовящейся лавы.

Нисходящее проветривание практически исключает местные скопления метана на сопряжении лавы с вентиляционным штреком и является более благоприятным для лав, оборудованных комплексами, где ограниченные

18

размеры рабочего пространства обеспечивают большие скорости движения воздуха и исключают образование метановых слоев у кровли выработки. Подача дополнительного свежего воздуха по конвейерному штреку и непосредственный отвод его на исходящую струю обеспечивают обособленное разжижение и вынос метана, поступающего из отбитого угля с конвейеров. Подсвеже-ние воздуха со стороны конвейерного штрека способствует исключению скоплений метана на сопряжении с лавой. Кроме того, завальная сторона конвейерного штрека, находясь непосредственно у целика угля, более устойчивая, чем завальная сторона вентиляционного штрека, примыкающего к выработанному пространству. Одновременно устойчивее будут и сбойки, и нижний вентиляционный штрек, используемый для исходящей струи. Схема не содержит дополнительных выработок, чем выгодно отличается от схемы со специальным дренажным штреком. Проветривание подготовительных выработок осуществляется через шлюз заезда, а исходящие из очистных забоев струи воздуха направляют по обособленным магистральным выработкам, что значительно повышает надежность проветривания выемочного поля.

Схема наиболее совершенна и предпочтительна для отработки бремсберговых и уклонных выемочных полей. Аналогична ей схема, представленная на рис.2.3, при которой метан из выработанного пространства выносится утечками воздуха на конвейерный штрек, где разбавляется воздухом и удаляется по бортовому уклону за пределы выемочного участка. Эта схема, в отличие от схем 2.1,

2.2, характеризуется более интенсивным выносом метана из выработанного пространства на конвейерный штрек и применяется при газообильности участка более 10

УКД 622.831.325.3

Методические положения по выбору и применению новых технологий дегазации и управления метановыделени-ем на угольных шахтах. - Люберцы, ННЦ ГП-ИГД им. А.А.Скочинского, 2000 г., 116 с.

Приведены перспективные технологические схемы отработки газоносных угольных пластов, рациональные схемы проветривания выемочных участков с высокой производительностью очистных забоев, методы определения газообиль-ности выработок и допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору. Даны рекомендации по выбору способов и определению параметров дегазации разрабатываемых пластов угля подземными скважинами, сближенных пластов и выработанных пространств подземными и наземными скважинами, а также указания по выбору комплекса мер по дегазации источников метановыделения и управлению метановыделением на выемочных участках средствами вентиляции. Изложены технология бурения и герметизации подземных скважин для извлечения кондиционного метана и контроль качества герметизации скважин.

Табл. 8, ил. 43, список лит. - 14 назв.

Авторы:    В.С.Забурдяев,    А.Д.Рубан, И.В.Сергеев,

Н.И.Устинов, Ю.С.Воронюк, Г.С.Забурдяев, М.М.Пучков, Е.Д.Барсукова, НЛ.Юхман, И.И.Беломойцева, А.Н.Павлов, А.И.Бобров, О.И.Касимов, С.В.Пугач, А.А.Эннс, А.С.Пантелеев.

м³/мин. Условия ее применения определяются возможностью поддержания штрека за лавой, поэтому она может быть использована на пластах мощностью до 3,5 м с углом падения до 18° с легко- и среднеобрушаемыми породами основной кровли.

При прямоточной схеме проветривания с подсвеже-нием на выработанное пространство широкими возможностями в обеспечении безопасной газовой обстановки на выемочном участке обладает вентиляция. Однако га-зовыделение на участке при этом возрастает по сравнению с возвратноточной схемой проветривания с погашением выработок за лавой, в результате чего на выемочный участок необходимо подавать в 1,5-2 раза больше воздуха. Нередко такое увеличение количества воздуха бывает трудно обеспечить на действующих шахтах, в особенности при отработке уклонных полей. Поэтому возникает необходимость в применении способов снижения газовыделения в исходящую струю воздуха на концевом участке выемочного столба.

2.2. Возвратноточная схема проветривания

В условиях применения возвратноточной на массив схемы проветривания с погашением выработок за лавой возможности вентиляции ограничены, и высокие нагрузки на лаву обеспечиваются применением дегазации источников метановыделения, в первую очередь, с целью снижения газовыделения на сопряжении с вентиляционной выработкой. Для снижения газовыделения из выработанного пространства осуществляется искусственное удаление метановоздушной смеси посредством газоотсо-са [1,4].

20

ВВЕДЕНИЕ

Угольные шахты России и Украины относятся к предприятиям с повышенной опасностью труда. Обильное метановыделение в шахтах еще в большей степени усугубляет эту опасность.

В 90-е годы на шахтах Российской Федерации и Украины количество аварий, вызванных взрывами и вспышками мегановоздушных смесей, возросло по сравнению с 1985-1990 гг. в 2 раза, что привело к росту травматизма со смертельным исходом в 3 раза и выходу из строя ряда шахт, допустивших аварии, на продолжительное время, вплоть до закрытия отдельных шахт. Взрывы, вспышки и внезапные выделения метана с человеческими жертвами составили 96% общего числа аварий, обусловленных нарушением пылегазового режима.

Приведенные данные свидетельствуют о нерешенности многих вопросов борьбы с газом, к числу которых относятся вопросы устойчивости проветривания и управления газовыделением в шахтах, технологии и параметров извлечения кондиционного метана, исключающие обильные его выделения в горные выработки.

Актуальность этих вопросов еще больше возрастает при разработке угольных пластов на глубоких горизонтах, поскольку с ростом глубины увеличивается метано-носность пластов угля, газообильность шахт и участков. Средняя глубина шахт превысила 450 м, а на ряде шахт Донбасса и Воркуты составляет 800-1000 м и более. При этом особо следует отметить потенциальные возможности роста глубины разработки угольных месторождений России, в частности, Кузбасса.

В настоящее время более 70% шахт России являются опасными по метану, из них 55% - весьма опасными (шахты сверхкатегорные, Ш категории и выбросоопасные).

На опасных по газу шахтах добывается 85% угля. При сравнительно равных горнотехнических условиях в шахтах с метанообильностью 7-10 м³/т добывается угля в 2-3 раза больше, чем в шахтах с метанообильностью 20-60 м³/т, где число остановок угледобывающей техники по причине метановыделения значительно больше.

В перспективе угольных отраслей России и Украины предусмотрено дальнейшее повышение эффективности угледобычи на базе технического перевооружения шахт й обеспечения их новой высокопроизводительной техникой. Очистные участки ежесуточно должны добывать 2000-3000 т угля, а в отдельных менее метанообильных шахтах - 5000-8000 т.

При отработке газоносных пластов вопросы обеспечения условий для высокопроизводительной и безопасной работы горной техники по газовому фактору становятся еще более актуальными, поскольку технические возможности средств очистной выемки угля на пологих пластах в 3-4 раза превышают допустимую нагрузку на лаву по газовому фактору.

При отработке выемочных полей со сложным газовым балансом, включающим выделение метана из разрабатываемого пласта, подрабатываемых и надрабатывае-мых угольных пластов и газоносных пород, невозможно обеспечить высокопроизводительную работу выемочных машин без комплексного применения эффективных способов управления метановыделением на выемочных участках средствами вентиляции и дегазации источников газовыделения.

4

Настоящие «Методические положения...» разработаны ННЦ ГП - ИГД им. А.АСкочинского и МакНИИ при участии ПечорНИИпроекта на основе исследований, выполненных по международному проекту «Разработка способов и средств дегазации угольных пластов с низкой газопроницаемостью и технологии управления метано-выделением шахт Российской Федерации и Украины (российско-украинский научно-технический проект «Дегазация»)». При их разработке учтены современные достижения в этой области за 10-летний период, прошедший с момента выхода в свет действующих нормативных документов («Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт» и «Руководство по дегазации угольных шахт») и даны рекомендации по применению наиболее эффективных способов управления газовыделени-ем средствами проветривания выемочных участков и дегазации источников газовыделения на шахтах России и Украины.

Методические положения разработали:

В.С.Забурдяев, АД.Рубан, И.В.Сергеев, Н.И.Устинов, Ю.С.Воронюк,    Г.С.Забурдяев,    М.М.Пучков,

Е.Д.Барсукова, Н.Л.Юхман, И.И.Беломойцева, А.Н.Павлов, А.И.Бобров, О.И.Касимов, С.В. Пугач, А.АЭннс, АС.Пантелеев.

5

1. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ОТРАБОТКИ ГАЗОНОСНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Выбор схем проветривания выемочных участков предопределяется не только газообильностью, но и принятой технологией отработки угольных пластов на шахтном поле.

В зависимости от горно-геологических и горнотехнических условий для пластов пологого падения мощностью от 1,8 до 5,0 м, на которых возможна работа высокопроизводительных очистных забоев с нагрузкой до 5 тыс.т/сут и более, рекомендуются технологические схемы разработки, которые отличаются подготовкой, направлением отработки выемочных столбов, способами охраны выемочных штреков, схемами проветривания выемочных участков.

Схема 1 включает подготовку и отработку пласта по простиранию в восходящем порядке по схеме «лава-этаж» с проведением выемочных штреков вприсечку (рис. 1.1). Здесь применяется возвратноточная схема проветривания с восходящим проветриванием лавы.

Схема 2 включает разработку пласта односторонней панелью по простиранию с охраной выемочных штреков целиками угля (рис. 1.2). Здесь предусмотрены отработка пласта по простиранию с частичной выемкой межстолбовых целиков и прямоточная схема проветривания выемочного участка с подсвежением и с отводом исходящей струи из лавы на заднюю сбойку. Ее применяют преимущественно на не склонных к внезапным выбросам угля и газа пластах с пониженной пожароопасностью.

6

Рис. 1.1 Схема отработки пласта по простиранию длинными столбами в восходящем порядке по схеме "лава-этаж1 1 - присечной воздухоподающий штрек; 2 - конвейерный ппрек; 3,5, 4 -воздухоподакмцие и конвейерный уклоны; 6 - главный воздухоподающий штрек; 7 - палевой транспортный штрек, 8,9 - фланговые вентляционный и воздухоподающий уклоны; 10 - диагональная сбойка; 11 - струя свежего воздуха; 12 - струя исходящего воздуха

Схема 3 включает разработку пласта односторонней панелью по простиранию в нисходящем порядке с охраной выемочных штреков целиками угля шириной 20-40 м, с прямоточной схемой проветривания и подсвежени-ем исходящей струи воздуха из лавы на заднюю сбойку (рис. 1.3). Технологическая схема предназначена для пластов с высокой газоносностью (15-25 м³/т).

Схема 4 включает разработку пласта односторонней панелью по простиранию в восходящем порядке с охраной выемочных штреков целиками угля, возвратноточной схемой проветривания выемочного участка, восходящим движением воздуха по лаве и с отводом метановоздушной смеси из верхней части лавы на заднюю сбойку (рис. 1.4). Технологическая схема применима на невыбросоопасных пластах с высокой газоносностью (15-25 м7т) и повышенной пожароопасностью.

Схема 5 включает разработку пласта односторонней панелью длинными столбами по простиранию с охраной спаренных штреков временными целиками, возвратноточной схемой проветривания выемочного участка, восходящим движением воздуха по лаве и проветриванием ее тупиковой части через неохраняемую в выработанном пространстве выработку с помощью газоотсасывающего вентилятора (ВМЦГ-7 и др.), установленного в разрезной печи впереди лавы (рис. 1.5).

Схема 6 включает разработку пласта длинными столбами в односторонней панели в нисходящем порядке по простиранию с сохранением выемочных штреков в выработанном пространстве, прямоточной схемой проветривания с нисходящим движением воздуха по лаве и проветриванием тупиковой части вентилятором местного проветривания (рис. 1.6).

9