Основы интенсивной и безопастной разработки метаноносных пластов угля

И.Е.Колесниченко, к.т.н., доцент, Шахтинский институт ЮРГТУ

Сохранение в Печорском и Кузнецком бассейнах многих шахт, разрабатывающих метаноносные пласты ценных марок К, Ж, КС, ГЖ коксующегося угля, зависит от решения двух основных проблем: увеличения нагрузки на забой и предотвращения взрыво- и пожароопасных концентраций метана в горных выработках.

Нагрузка на очистной забой зависит от многих факторов, основными из которых являются мощность разрабатываемого пласта и концентрация метана в шахтной атмосфере. Считается, что пласты мощностью менее 1.5 м являются неблагоприятными к выемке из-за невозможности применения высокоэффективных очистных комплексов. На пластах большей мощности можно применять мощные и скоростные угольные комбайны, имеющие рабочую скорость 10–20 м/мин и величину захвата до 0.8 м. Однако при разработке метаноносных пластов формируемая в шахтной атмосфере взрыво- и пожароопасная концентрация метана ограничивает увеличение нагрузки на забой, делая нерентабельным применение высокопроизводительной техники.

Проблема увеличения нагрузки на очистной забой в угольной отрасли может быть решена в результате разработки геотехнологических решений на основе системного подхода к изучению природных и технологических процессов. Большое количество исследований, выполненных в последние годы, позволили разработать и внедрить:

•    прямоточную схему проветривания лавы с подсвежением исходящей струи воздуха;

•    дегазацию выработанного пространства и пластов-спутников из выработок и скважинами с поверхности;

•    способы регулирования путей движения метана из выработанного пространства с помощью дренажных выработок, изолирующей стенки или вентиляционного комплекса с газоотсасывающим вентилятором ВМЦГ-7.

Опыт работы шахт Воркутского месторождения и Кузбасса показал, что эти мероприятия позволяют увеличить нагрузку на забой, но для обеспечения рентабельности шахт и конкурентоспособности угля необходимо дальнейшее наращивание объемов его добычи.

Основными причинами неэффективного использования высокопроизводительных комплексов являются, с одной стороны, отсутствие информации о метаноносности пласта впереди забоя, и, с другой, имеющими место недостатками в применяемой методике расчёта необходимого расхода воздуха для проветривания выемочного участка. По этой методике расход воздуха рассчитывается без учёта динамики выделения метана и формирования газовоздушной среды в очистном пространстве во время выполнения производственных процессов. Методика даёт незначительные погрешности только при небольшой природной метаноносности и невысокой фактической нагрузке на забой.

Для решения задачи кратного увеличения нагрузки на очистной забой при одновременном обеспечении безопасных условий работы выемочный участок необходимо рассматривать как сложную систему, в пределах которой наряду с отбойкой угля происходит выделение метана и проводятся мероприятия по разбавлению его подаваемой струей воздуха до концентрации, допустимой ПБ. В этих условиях главным и определяющим процессом является выбор надёжного и эффективного способа разбавления метана в выработках и недопущения локальных скоплений взрывоопасных концентраций в выработанном пространстве.

Выемочный участок представляет собой систему горных выработок и выработанное пространство, по которым за счёт общешахтной депрессии перемещаются потоки свежего и исходящего воздуха, разбавляя и перенося выделяющийся метан из обнажённой поверхности пласта и разрушенного угля. Таким образом, выемочный участок является сложной системой, характеризующейся взаимодействием целого ряда горно-геологических и технологических факторов (рис. 1). Основные параметры выемочного участка можно разделить на входные, производные и выходные.

К входным параметрам относятся:

•    горно-геологические – мощность угольного пласта, природная метаноносность пласта, прочность непосредственной и основной кровель;

•    технологические, принимаемые на стадии проектирования – длина лавы, площадь поперечного сечения подготовительных выработок, а также регулируемые в процессе очистных работ – рабочая скорость выемочной машины, продолжительность цикла по выемке угля, расход воздуха, подаваемого в лаву и для подсвежения исходящей струи из лавы.

Производными параметрами являются дебит метана в лаве и на участке, а также расход воздуха в вентиляционных потоках сети. Выходные параметры характеризуют результат взаимодействия всех факторов: концентрацию метана в исходящей струе из лавы и участка, нагрузку на очистной забой по газовому фактору.

Вентиляционная сеть выемочного участка – это самонастраивающаяся система, в которой распределение потоков воздуха происходит в соответствии с основными законами аэродинамики. Предварительная дегазация призабойной зоны в лаве зависит от времени обнажения. Метаноносность пласта изменяется по площади его распространения и по длине лавы. Поэтому интенсивность выделения метана по длине лавы не одинакова и зависит от метаноносности в данной точке забоя и времени с момента обнажения.

Процесс выемки угля и формирования метановоздушных потоков в пределах участка необходимо рассматривать как непрерывный и динамичный. Метан выделяется из источника с определенной интенсивностью и перемешивается с движущимся потоком воздуха, образуя метановоздушную смесь. Основной задачей является установление межсистемной связи между параметрами очистного забоя и сопряжёнными выработками, параметрами вентиляции и интенсивностью выделения метана в шахтную атмосферу призабойного пространства.

При выемке угля комбайном необходимо учитывать естественную непрерывную дегазацию пласта. На рис. 2 показаны закономерности выделения метана в очистном забое. Метаноносность угля в призабойной зоне (Xд) с учётом естественной дегазации меньше, чем в массиве (Xм), и зависит от продолжительности цикла Тц (мин):

   

Абсолютная метанообильность очистного забоя определяется по формуле:

   

где Gр, Gm, Gк – дебит метана, соответственно, из разрушаемого угля, из поверхности пласта и из отбитого угля, лежащего на конвейере и за конвейером в лаве.

Расчёты и шахтные замеры показали, что по газовому фактору с увеличением рабочей скорости и ширины снимаемой стружки комбайном необходимо увеличивать и длину лавы. При этом интенсивность выделения метана уменьшается, а общий дебит метана в лаве увеличивается. Но значительная часть метана уносится из очистного пространства вместе с утечками воздуха при прямоточной схеме проветривания на выработанное пространство с подсвежением исходящей струи из лавы. В связи с этим, величина нагрузки на забой и обеспечение безопасных условий зависит от того, сколько воздуха будет подано на участок и как он будет распределён по выработкам и выработанному пространству.

В результате шахтных исследований установлено, что при расчете расхода воздуха, подаваемого в лаву, необходимо учитывать то, что значительная его часть сразу уходит в выработанное пространство. Максимальная скорость воздуха в лаве будет равна

   

где Sоч – площадь поперечного сечения очистного пространства на расстоянии 15 м от вентиляционной выработки, м2 (по ПБ максимальная скорость не должна превышать 4 м/с);

Q1 – расход воздуха на расстоянии 15 м от вентиляционной выработки, м3/с.

Расход воздуха Q1 для пластов разной мощности определяется по расчетным зависимостям, представленным в таблице.

Примерно 53% воздуха, подаваемого по вентиляционной выработке, поступает в очистное пространство, а 47% – в выработанное. В результате распределенных утечек по лаве количество воздуха в очистном пространстве уменьшается ещё по ходу движения струи.

Расход воздуха в исходящей струе из лавы

   

где а – поправочный коэффициент, который определяется по формуле

   

где L – длина лавы, м;

Qп – расход воздуха для подсвежения исходящего из лавы, м3/с;

Qоч – расход воздуха, подаваемого в очистное пространство, м3/с;

Sв – площадь поперечного сечения выработки на границе с выработанным пространством лавы, м2.

Из приведенных формул видно, что в лаву можно и нужно подавать больше воздуха, чем для подсвежения. Это необходимо для увеличения длины лавы и разбавления метана в выработанном пространстве.

Опыт работы лав №513-ю, 613-ю и др. на пласте «Четвёртом» (n11) в Воркутском месторождении с высокой абсолютной метанообильностью выемочного участка показал, что при увеличении длины лавы с 180–200 м до 275–295 м нагрузка на забой увеличилась в 1.5–2 раза (рис. 3).

В ОАО «Воркутауголь» определены основные направления научно-технического развития технологии подземной угледобычи в Печорском бассейне [1]. Одним из условий повышения нагрузки на забой было принято увеличение длины лав со 150 до 300 м. На пласте «Четвёртом» запланировано отработать лавы №522-ю, 622-ю, 722-ю, 822-ю и 922-ю длиной более 250 м.

Расчёт расхода воздуха на шахте для проветривания лав производился по методике, которая не учитывает произошедшего изменения условий. В результате был занижен расход воздуха, подаваемого в лаву. Из-за низкой депрессии утечки воздуха вместе с метаном стали возвращаться из выработанного пространства в очистное. Согласно основным законам аэродинамики, для обеспечения выноса метана из выработанного пространства в выработку за лавой необходимо увеличение расхода подаваемого в лаву воздуха. Вместо того чтобы увеличить расход подаваемого воздуха в лаву, уменьшили ее длину до 180 м.

Основным недостатком прямоточной схемы проветривания на выработанное пространство с подсвежением исходящей газовоздушной струи из лавы является образование опасной концентрации метана. При недостатке воздуха такие участки формируются в выработанном пространстве, на расстоянии 1–2 м от крепи выработки, за изолирующей стенкой, если её применяют для регулирования выпуска метановоздушного потока из выработанного пространства, в смесительных камерах, в выработках на пути к газоотсасывающим вентиляторам ВМЦГ-7М [2].

В 2002 г. произошли два взрыва метановоздушной смеси в выработанном пространстве лав на шахтах «Антоновская» ЗАО «Шахтоуправление Антоновское» и «Воркутинская» ОАО «Воркутауголь». На шахте «Антоновская» взрыв метана произошёл 02.04.02 г. в выработанном пространстве лавы №30–29 длиной 100 м на пласте №30 мощностью 3.4 м. Проветривание лавы, имеющей абсолютную метанообильность 5.02 м3/мин., осуществлялось по возвратноточной схеме. В лаву подавалось 215 м3/мин свежего воздуха. Взрыв произошёл в районе монтажной камеры и разрушил перемычку сбойки выработанного пространства с конвейерным штреком. За перемычкой на уровне вентиляционного штрека и флангового бремсберга концентрация метана составляла 59%. После взрыва продолжалось выгорание метана, а непроветриваемое выработанное пространство стало местом воспламенения метана.

На шахте «Воркутинская» произошёл взрыв метана 13.01.02 г. на пласте «Четвёртом» в выработанном пространстве лавы №822-ю длиной 185 м при прямоточной схеме проветривания на выработанное пространство с подсвежением исходящей струи из лавы. В лаву подавалось 630 м3/мин свежего воздуха для проветривания и 870 м3/мин для подсвежения исходящей из лавы струи. По диагональному ходку из штрека №922-ю «бис» в штрек № 822 за лавой поступало ещё 700 м3/мин воздуха. Всего на выемочный участок подавали 2200 м3/мин воздуха, но большая часть его поступала уже за скоплениями взрывоопасной смеси.

Анализ показал, что существующие схемы проветривания и методика расчёта параметров вентиляции не позволяют решить не только проблемы повышения нагрузки на очистной забой при высокой абсолютной метанообильности, но и взрывобезопасности метана. Необходимо также отметить, что при существующих схемах проветривания возможны резкие повышения концентрации метана при незначительном уменьшении расхода воздуха и при прорывах метана из смежных пластов угля. Так, взрыв в выработанном пространстве лавы №822-ю, по нашему мнению, произошёл в результате резкого увеличения дебита метана из подрабатываемого выбросоопасного пласта «Тройного». Анализ разрезов этого пласта показал, что в районе пикетов 55 и 56 конвейерного штрека №822-ю мощность выбросоопасного слоя между пачками прочного угля, соответствующими пластам «Первому» и «Третьему», увеличилась до 0.3 м.

Очевидно, что в этом месте была повышенная природная метаноносность в выбросоопасном слое. Из этого слоя уже происходили внезапные выбросы метана и угля на соседних шахтах. После подработки метан заполнил выработанное пространство на пласте «Четвёртом» и при недостаточном для разбавления его концентрации количестве подаваемого воздуха создались условия для воспламенения и взрыва с последующим выгоранием метана в выработанном пространстве и смежных горных выработках. Вероятно, что в 1991 г. взрыв метана и пожар в выработанном пространстве лавы №522-ю произошёл также в результате подработки локальной выбросоопасной зоны на пласте «Тройном».

Вывод

Для увеличения нагрузки на очистной забой на пластах с высокой природной метаноносностью необходимо увеличивать длину лавы до 250–300 м, одновременно увеличивая расход подаваемого в неё воздуха.

Используемые в настоящее время схемы проветривания и методика расчёта параметров вентиляции отстают от запросов технологии интенсивной выемки. Необходимо изменить принцип подхода к конструированию схемы проветривания выемочного участка с высокой абсолютной метанообильностью.

Для предотвращения воспламенений и взрывов метана в выработанном пространстве расчёт расхода воздуха, подаваемого на выемочный участок, следует производить с учётом активного проветривания выработанного пространства, а не разбавления метана в выработках за лавой. При этом нужно учитывать природные закономерности изменения метаноносности в угольных пластах, особенно в смежных выбросоопасных пластах. 

Журнал "Горная Промышленность" №3 2003