Управление Ростехнадзора по Калужской области

На сайте http://schitayvodu.ru/vodoschetchiki/shef-montazh все правила пломбировки
Способ проведения горных выработок в шахтах, опасных по метану


Успешная и стабильная эксплуатация шахты, опасной по газу, в основном зависит от своевременной и качественной подготовки очистного фронта работ, отвечающего всем вопросам безопасности. Первостепенное значение приобретают вскрывающие и подготавливающие горные выработки, пройденные, прежде всего, по углю или по углю с подрывкой боковых пород. Ограничение темпов проведения подготовительных выработок неразрывно связано с увеличением выделения метана как в забое, так и с боков выработки. Речь идет о шахтах с повышенным выделением метана, где при подготовке новых горизонтов и выемочных участков темпы проведения горных выработок имеют первостепенное значение.

В Краснодонецком шахтоуправлении, отрабатывавшем пласт m18 с относительной газообильностью 106,5 м3/т., возникла необходимость в проведении навстречу проводимому сверху вниз по углю ( с подрывкой породы ) фланговому шурфу № 1 большой протяженности сбойки снизу вверх по углю под углом 14°. Но буровзрывной способ на сверхкате горной шахте по метану при проведении выработок, тем более по углю (снизу вверх),по условиям безопасности недопустим, да и сам пласт антрацита с коэффициентом крепости угля по шкале проф. М. М. Протодьяконова 2 – 2,5 не мог быть отработан с использованием других известных способов выемки угля в таких условиях.

Среди антрацитовых шахт ОАО «Ростовуголь», антрацит в Краснодонецком шахтоуправлении был одним из самых крепких, что не позволяло приме нять в лавах для выемки угля струговые установки, так как рабочий орган струга не мог скалывать уголь такой крепости.

В результате было принято решение, в которое мало кто верил, — проходить выработку с выемкой угля отбойными молотками после предварительного опережающего увлажнения пласта. В центре выработки (рис.1) параметрами 2×1,4м бурили шпур глубиной 2,5м и нагнетали воду в пласт (по качественным показателям близка к питьевой) под давлением 11 МПа (110 атм) в течение 1 – 1,1 ч до тех пор, пока оно не начинало резко па. При нагнетании воды в пласт слышался множественный треск разной громкости, сопровождаемый периодическими глухими ударами. В забой поступало 300м3/мин воздуха, нагнетаемого вентиляторами местного проветривания (ВМП), содержание метана не превышало допустимых правилами безопасности (ПБ) норм. После окончания нагнетания воды в пласт двое рабочих очистного забоя производили выемку угля отбойными молотками с подвиганием забоя на 2 м до конца смены. В следующей смене цикл повторялся. После окончания выемки угля периодически из забоя бурили шпуры в бока выработки для определения ширины зоны увлажнения, которая составляла 1 – 1,2м. При переходе в неувлажненный антрацит сопротивление бурению резко возрастало, заметно увеличивалось выделение метана из пробуренного шпура. За сутки проходили 8 м выработки по углю, а за месяц до сбойки — 182 м. Эксперимент удался.

За весь период проведения этой выработки не наблюдалось ни одного случая превышения содержания метана по сравнению с допустимыми ПБ нормами (рис.2).

В то же время шурф № 1 проходили сверху вниз буровзрывным способом с раздельной выемкой угля и породы. Проветривание осуществляли ВМП с подачей 300 м3 / мин воздуха в забой шурфа. Когда до сбойки шурфа со сбойкой по углю, проводимой снизу вверх, оставалось менее 100 м, после каждого взрывания по углю в шурфе трижды проводили (см.1 ,2и 3на рис. 3) газовые съемки. Объемы выделяемого метана достигали критических значений.

При выемке угля в шурфе № 1 с использованием буровзрывного способа количество выделяемого метана за сутки в 1,7 – 2 раза превышало таковое из выработки, проводимой ему навстречу отбойными молотками после предварительного увлажнения пласта. Объяснение этому явлению пришло позднее.

При нагнетании воды в пласт происходят физические процессы и химические реакции. Под большим давлением воды разрушаются связи в угле, значитель но снижается его крепость с вероятным образованием макро - микро и наночастиц.

На основании последних исследований в области нанотехнологий доказано, что нейтральные твердые вещества (в нашем случае антрацит) при разрушении до мельчайших частиц в сочетании со средой (в данном случае с водой) приобретают новые свойства и вступают в химические реакции с веществами, присутствующими в угле. В угле содержится ряд элементов, оксидов, сложных по составу частиц называемых комплексами. При соединении с водой наиболее распространенные основные оксиды CaO и MgO образуют соответственно гидроксиды кальция Ca(OH)2и магния Mg(OH)2,которые вместе с мельчайшими частицами, их соединениями и сложными веществами заполняют макро -,микро и нанотрещины в угле, препятствуя выделению метана. Метан в обычных условиях (при невысоких температуре и давлении) химически инертен и соединяется только с галоидами (галогенами). Все галогены легко растворимы в воде, весьма реакционноспособны, содержатся в осадочных породах, вероятно и в угольных пластах. В результате после нагнетания воды в пласт образовывались зоны как впереди забоя, так и с боков выработки, преграждающие путь активному выделению метана.

Таким образом, в результате физических процессов и химических реакций вода служит весьма реакционноспособным веществом. При соединении с водой оксиды многих металлов и неметаллов образуют основания и кислоты, а некоторые соли — кристаллогидраты.

Содержание, количество элементов и соединений с ними на разных угольных месторождениях различно в зависимости от их метаморфизма. Эти превращения происходят в течение десятков и сотен миллионов лет при отсутствии кислорода, в условиях высоких давлений и температур в глубинах земной коры, куда органические вещества попадают вместе с другими породами в результате тектонических процессов.

Условия образования углей из органических веществ различны. Они существуют в торфяных болотах, донных осадках озер, морских лагун .

Содержание соединений многих элементов в угле, образовавшемся в морских лагунах, такое же, как и в морской воде (это Cl, Na, Mg, S, Ca, K, C, Br, B, Sr, F, N, Li, Rb, P, I, Fe, Zn, Mo). Например, каждый килограмм морской воды включает более 19 г хлора, свыше 1г магния и т. д. ,в среднем 35г различных солей.

Очевидно, что содержание соединений многих элементов в угле, образовавшемся в торфяных болотах или в донных осадках озер, может существенно отличаться от такового в морских лагунах.

В связи с тем, что многие элементы и их соединения при образовании угля в разные горно-геологические периоды и различных условиях могут значительно отличаться, желательно проводить лабораторный анализ угля из каждого пласта и его пачек для точного выявления этих элементов и их соединений.

Полученная информация позволит более гра­мотно составлять проект проведения газоносной выработки, обеспечивать максимально допустимую скорость ее подвигания в пределах норм ПБ, определять содержание выделяемого метана в забое и с боков выработки, варьировать схемами расположения скважин для нагнетания воды в пласт, их длиной, равной циклу подвигания забоя за смену или за сутки, давлением при нагнетании воды в пласт, временем нагнетания и в итоге устанавливать оптимальный вариант параметров макси мального снижения выделяемого метана при проведении выработки. Со временем, имея накопленный опыт, статистику параметров, обеспечивающих максимальное снижение количества выделившегося метана, можно будет выявлять закономерность влияния этих параметров и математическим путем определять их оптимальное значение, что важно для проектирования.

Важно, чтобы проходческий комбайн добывал горную массу, которая должна состоять в основном из крупных фракций угля, несущих в себе метан из забоя в транспортные выработки шахты и далее на поверхность. Это достигается умелым подбором схемы резания и скалывания рабочим органом комбайна угольного пласта в забое. Свой вклад в решение этой задачи могли бы внести и конструкторы проходческих комбайнов.

Бурение скважин по углю в газоносных подготовительных выработках с последующим его увлажнением — это кажущиеся дополнительные расходы. Они окупятся с лихвой, если дело будет поставлено так, что в результате увеличения скорости подвигания выработок, будут своевременно подготавливаться новые горизонты, выемочные участки с лавами, не будет допускаться разрыв в подготовке, где значительное время требуется для комплексной дегазации выемочного участка, в том числе дегазации неразгруженных пластов, осуществляемых с большей эффективностью из пройденных выработок. В итоге увеличится нагрузка на лаву, а это путь к концентрации горных работ, повышению нагрузки на шахту — основному фактору, определяющему рост экономики.

Выводы

Газовая съемка выработки, проводимой по углю снизу вверх с выемкой угля отбойными молотками после предварительного увлажнения, с позиции современных знаний дает объяснение ранее неизвестным возможностям увеличения скорости проведения газоносных выработок.

Если в дальнейшем объединить научно - производственную базу для изучения, совершенствования и распространения данного способа, то можно достигнуть устойчивых темпов проведения выработок с повышенным газовыделением до 1000 м/мес, что позволит своевременно подготавливать выемочные участки и развивать шахту в целом. Это только на начальном этапе. В дальнейшем увеличение темпов проведения выработок зависит от выявленных резервов снижения выделения метана в них. ( Зарегистрирована заявка в ФИПС на способ проведения горных выработок в шахтах, опасных по газу метану № 2010142317. )

Перед началом реализации предложенного способа проведения газоносных выработок по углю с подрывкой боковых пород надо провести следующую подготовку.

1. Сделать лабораторный анализ угля из пласта и его пачек для выявления наличия в них элемен­тов, оксидов и других веществ, способных образовывать новые соединения при поступлении воды.

2. В горной массе угля (путем отсева) опреде­лить наличие мельчайших частиц, установить их новые свойства, прежде всего вязкость в сочетании с водой.

3. Выявить природную трещиноватость пласта и кливаж в нем.

4. Подготовить средства для бурения скважин по углю, нагнетательные установки (с замерами давления и расхода воды),подвод воды, желательно питьевого качества, приборы для эпизодического и постоянного замера метана, контроля за количеством поступающего в забой воздуха.

5. Пробурить скважины из забоя длиной, равной циклу подвигания выработки за смену ( сутки ).

6. Закачать воду в пласт, непрерывно замерять количество метана, давление воды, ее расход, время нагнетания.

7. Пройти выработку со скоростью, не превышающей скорость выделения метана в пределах допустимых ПБ норм на величину увлажненного пласта.

8. В зоне увлажнения пласта (бока выработки) периодически бурить шпуры для выявления ши рины зоны увлажнения, являющейся барьером активному выделению метана, по наличию выхода ув­лажненного штыба со шпура, до начала увеличения крепости угля и до момента повышения выхода метана из шпура.

9. В дальнейшем при проведении выработки, варьируя параметрами, связанными с нагнетанием воды, максимальным снижением выделяемого метана, найти оптимальный вариант исполнения предлагаемого способа проведения выработки с повышенным газовыделением.