Расчёт газовыделения в очистной забой в системах разработки подэтажными штреками «Крепь -штрек»

УДК 622.002.

В.И. Клишин, Г.Ю.Опрук

РАСЧЕТ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ В ОЧИСТНОИ ЗАБОИ В СИСТЕМАХ РАЗРАБОТКИ ПОДЭТАЖНЫМИ ШТРЕКАМИ «КРЕПЬ-ШТРЕК»

Применение высокопроизводительных комплексов для разработки мощных крутопадающих пластов угля Прокопьевско-Киселевского бассейна, исторически сдерживалось их нарушенностью и сложностью залегания. Одним из направлений решения этой проблемы является создание комплекса «крепь-штрек», перемещаемого по мере подсечки подэтажной толщи, по подэтажному штреку по простиранию пласта. Варианты таких комплексов были разработаны и изготовлены на Киселевском машиностроительном заводе им. Черных, Сибгормаш, КузНИУИ и прошли успешные испытания на угольных шахтах [1 - 3]. В последние годы подобная технология реализована авторской группой польской фирмы «GEOTECH» на шахте «Казимиуш Юлиуш» (Польша) и получила название «подбирковой» технологии. Эксплуатационными выработками в данной системе являются штреки, пройденные по почве пласта в нижней части каждой эксплуатационной панели. В конце штрека установлено забойное оборудование, специально созданное в Словакии, включающее две секции крепи, обеспечивающие крепление

штрека и защиту подбиркового скребкового конвейера для транспортировки угля, установленного между основаниями секций крепи. Система разработки успешно применяется в условиях шахты «Казимиуш Юлиуш» на пласте мощностью 20 м с углом падения 45° [4]. Таким образом, опыт эксплуатации подбирковой системы «Казимиуш Юлиуш» еще раз подтвердил эффективность по-дэтажной выемки угля при разработке мощных крутопадающих пластов. Однако применение её в условиях Прокопьевско-Киселевского месторождения сдерживается разработкой невзрывных методов разупрочнения надштрекового угольного целика.

По этой технологии крутой пласт рассекается по простиранию на всю длину отрабатываемого блока подэтажными штреками, соединенными между собой углеспускными и ходовыми скатами (рис. 1). Между подэтажными штреками также по простиранию проходят промежуточные компенсационные штреки, из которых производиться операции по разупрочнению угольного целика, расположенного между подэтажными штреками, а

Рис. 1. Система разработки подэтажными штреками с выпуском угля

также обеспечивается проветривание тупикового забоя. Наиболее сложной операцией при применении этой технологии, является безопасный и эффективный выпуск угля из разрушенного целика на подэтажный штрек. Все применяемые способы и средства по выпуску обладали теми или иными недостатками.

Для реализации данной технологии разработан и предложен принципиально новый комплекс КПВ1 оборудования, обеспечивающий механизированный управляемый выпуск угля из разрушен-

ного межэтажного целика на подэтажный штрек. [5-8].

Комплекс КПВ1 (рис. 2) включает в себя две секции 1 оградительно-поддерживающего типа, ограждения которых снабжены выпускными окнами с затвором 2 и откидными щитами 3, а основание питателями 4. Между основаниями секций на почве штрека установлен став перегружателя ПСП-26. Секции 1 связаны со ставом перегружателя гидроцилиндром подачи 5. Комплекс снабжен также двумя гидроцилиндрами с якорной

Рис. 3. Способы разупрочнения подэтажного целика: а) вибросейсмический способ разупрочнения; б) направленный гидроразрыв;

стойками и круглозвенными цепями с помощью которых, в случае необходимости могут быть передвинуты вдоль подэтажного штрека как забойные секции 1, так и став перегружателя.

Передвижка комплекса в подэтажном штреке осуществляется путем взаимного перемещения друг относительно друга секций 1 и става перегружателя при помощи гидроцилиндров подачи 5. При передвижке секций 1 ее затворы и щитки должны быть закрыты. После передвижки комплекса и распора секций 1 производиться выпуск угля на став перегружателя с последующей перегрузкой на штрековый конвейер. После выпуска угля из потолочины и прихода в выпускные окна породы, щитки и затворы закрываются.

Разупрочнению угольного массива осуществляется с помощью вибросейсмической установки, расположенной в промежуточном штреке. При этом разупрочнение угольного массива и интенсификация его обрушения достигается виброобработкой очистного блока с шаговой перестановкой

т/мин; подвигание за цикл - 1,26м; число одновременно работающих людей - 4; диметр трубопровода - 1,0м; минимальная скорость движения воздуха - 0,25 м/с; допустимая по ПБ концентрация метана - 1,0%; число поворотов трубопровода на 90 градусов - 2.

Абсолютная метанообильность тупиковой выработки (1п, м3/мин) слагается из метановыделе-ния с неподвижных поверхностей пласта 1пов (м3/мин) и из отбитого угля 1о.у.п (м3/мин):

1п = 1пов + Iо.у. п = 2,85 + 0,20 = 3,05 м3/мин,

Метановыделение с неподвижных обнаженных поверхностей пласта рассчитывается по формуле:

1пов = 410-4 тпв Уп аз(Х - Хо )п1 Кт =

=4 10-4*12*0,43*3,8*0,42*( 16,0 - 2,2 )2*4,47 = 0,2

м3/мин,

где

Х - природная метаноносность угля, т3/м;

Таблица 1. Значение коэффициента в

тп 1,0 и более 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

в 1,0 0,95 0,91 0,85 0,76 0,65 0,54 0,43 0,34 0,26

Примечание. S - площадь поперечного сечения в свету, м2.

Таблица 2. Значение коэффициента а3 в зависимости от выхода летучих

% % >* до 8 8-12 12-18 18-26 26-35 35-42 более 42

а3 0,14 0,14-0,18 0,18-0,28 0,28-0,43 0,43-0,38 0,38-0,30 0,28

виброснаряда вдоль скважины по восстанию или с помощью направленного гидроразрыва через пробуренные с промежуточного или подэтажного штреков скважины (рис. 3).

Применение данных технологий в 70-е годы, не привели к её широкому внедрению и, как следствие, условия безопасного использования данной технологии не нашли отражения в действующих в настоящее время нормативных документах, что создаёт необходимость рассматривать её как экспериментальную.

Расчет газовыделения в очистной забой выполнен на основании геологических данных применительно к ш. «Киселевская», согласно действующего «Руководства по проектированию вентиляции угольных шахт» [9] для тупикового забоя. Схема вентиляции для отработки мощного крутого пласта подэтажами представлена на рис. 4.

Исходные данные для расчета: глубина разработки - 270м; длина выработки - 200м; длина трубопровода - 210м; сечение выработки - 15 м2; мощность пласта - 12м; плотность угля - 1,36 т/м3; выход летучих веществ - 28%; природная метаноносность - 16 т3/м; остаточная метанонос-ность - 2,2 т3/м; скорость подвигания забоя - 3,8 м/сут; производительность комплекса - 0,74

Хо - остаточная метаноносность, т3/м; где т п - полная мощность угольных пачек пласта, м;

Уп - проектная скорость подвигания забоя тупиковой выработки, м/сут;

в - коэффициент, учитывающий условия фильтрации метана; для тонких и средней мощности пластов принимаетсяравным 1,0; для мощных пластов определяется по таблице 1;

Кт - коэффициент, учитывающий изменение метановыделения во времени, зависит от времени проведения выработки Тпр (суток) и принимается

как трЛр =^/20 ;

а3 - коэффициент принимается согласно таблице 2;

П1 - показатель степени

Метановыделение из отбитого угля определяется по формуле:

1о.у.п = (Х-Хо )] Кту = ( 16 - 2,2 )*0,74*0,238 = 2,85 м3 /мин, где ] - техническая производительность комплекса, т/мин;

Рис. 4. Схема вентиляции для отработки мощного крутого пласта подэтаж

Кту - коэффициент учитывающий степень де-

„ 15-1.26-1.36

Ту= 0 74 = 34,7 мин,

газации угля и зависит от времени нахождения угля в призабойном пространстве Ту. где Sуг - пл°щадь сечения ^ф^отки ш углю в

проходке, м ;

1ц - подвигание комплекса за цикл, м;

У- плотность угля т/м3;

Для месторождений Востока Кту рассчитывается по по формуле:

Кту= а2 ТуВ2 = 0,115*34,70,25 = 0,279

где а2, в2 - коэффициенты, характеризующие газоотдачу из отбитого угля. Для Кузнецкого бассейна в2=0,25, а а2 на пластах с выходом летучих до 16% равен 0,075, от 16 до 36 равен 0,115, от 36 и более 0,075.

Расход воздуха по минимальной скорости в выработке:

Q3.fi = 60 Уптіп Б = 60*0,25*15 = 225 м3/мин где Уптіп - минимально допустимая согласно ПБ скорость воздуха в тупиковой выработке, м/с.

Расход воздуха по выделению метана:

„ _ 100-/п

Мз.п = С-С„

100-3.05

= 1_0 = 305 м /мин

где Qз.п - расход воздуха, который необходимо подавать в призабойное пространство тупиковой выработки, м3/мин;

1п - абсолютная метанообильность тупиковой выработки, м3/мин);

С - допустимая согласно ПБ концентрация метана в исходящей струе из выработки, % (по объему);

Со - концентрация метана в струе воздуха, поступающего в тупиковую выработку, %.

Расход воздуха по числу людей:

Qоч = 6 пчел = 6*4 = 24 м3/мин, где пчел - наибольшее число людей, одновременно работающих в очистной выработке.

Расход воздуха для проветривания всей тупиковой выработки:

_ 100-/пКн

^ = С-С0

100-3.05-1.0

1-0

= 305 м /мин,

Qв=Qз.п Кут тр = 305*1,04 = 317 м3/мин, где Qз.п - расход воздуха, который необходимо подавать в призабойное пространство тупиковой выработки, м3/мин;

Кут.тр - коэффициент утечек трубопровода на участке от устья выработки до забоя, для труб диаметром 1,0м при длине 210м равен 1,04.

Сопротивление трубопровода:

Я

тр.п

гтр

=0,0053(210+20*1,0*2)=1,325 кц/м , где гтр - удельное аэродинамическое сопротивление гибкого вентиляционного трубопровода, кц/м; для диаметров 0,5м, 0,6м, 0,8м, 1,0м соответственно Гтр 0,177, 0,071, 0,0161, 0,0053 кц/м;

П1 , П2 - число поворотов трубопроводов на 90 и 45 градусов соответственно.

Давление вентилятора работающего на гибкий вентиляционный трубопровод (депрессия трубо-пророда), даПа:

Ьв=0в2 Итр.п ( + 0,41)2 = 3172 1,325 (159 + 0,41)2 =

= 127156 Па, Проверка расхода воздуха в устье тупиковой выработки Qп.р из условия:

Оп.р > Оп > 305, где Qв - подача вентиляторной установки, м3/мин; Расход воздуха у забоя:

Qз.п. =1,69 д/Ятрп - 0,69 = 1,69 ^

127156

где 1п - метановыделение в тупиковой выработке,

м3/мин;

Кн - коэффициент неравномерности газовы-деления (для Кузнецкого бассейна принимается равным 1,0).

Подача вентилятора, работающего на гибкий или жесткий трубопровод, определяется по формуле:

Таблица 3. Основные

325

0,69*317 = 305 м3/мин Расход воздуха в месте установки ВМП для группы вентиляторов, работающих на разные трубопроводы и установленных в одном месте:

Qвс> 1,43Кр ^в= 1,43*1,1*(317+317) =

997 м3/мин,

где Qв - подача вентилятора, м3/мин; Кр - коэффициент, принимаемый равным 1,1 для ВМП с регулируемой подачей.

Выполненные расчеты и предлагаемая схема вентиляции тупикового забоя в новой технологии подэтажной выемки мощного угольного пласта с регулируемым, управляемым выпуском, позволяют аргументировано перейти к опытно- промышленному внедрению технологий.

результаты расчета

Метановыделение в призабойное пространство, м3/мин Подача вентиляторной установки м3/мин Расход воздуха в месте установки ВМП м3/мин Диаметр трубопровода, м

3,05 317 997 1,0

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Томашевский Л.П., Левочко В.П., Боровиков П.А., Блинов Ю.С., Кузин Г.С., Калугин О.Ф. Разработка и научное обоснование технологии подэтажной выемки угля и параметров выпускного механизированного комплекса «крепь-штрек». Сб. научн. тр. №25. Совершенствование технологии разработки крутых пластов Кузбасса. Прокопьевск, КузНИУИ, 1974 г. С. 55-67.

2. Томашевский Л.П. Технология разработки мощных крутых нарушенных пластов Кузбасса и направления ее совершенствования. Обзор, ЦНИЭИуголь. М.,1978, 45 с.

3. Дмитриев С.Н., Запреев С.И., Сенько Л.С., Крылов В.Ф., Томашевский Л.П. Основы технологии разработки угля с применением гибких перекрытий. М., Недра, 1967, с. 114 - 119.

4. Stanislaw Gajos. Experience and practical aspects of utilizing a shrinkage metod of extraction at “Kazimierz-Juliusz” coal mine in Sosnowiec. International mining forum. New technologies in underground mining. Safety in mines. Cracow-Szczyrk-Wieliczka, Poland 2004. 157-168.

5. Патент РФ № 2304218 Способ выемки мощных крутопадающих пластов угля / авторы Клишин В.И. Фокин Ю.С., Кокоулин Д.И. Опубл.Б.И., № 22, 2007

6. Патент РФ № 2399762 Способ отработки мощных угольных пластов /авторы Клишин В.И., Кокоулин Д.И., Кубанычбек Б., Клишин С.В. Опубл. Б.И., № 26 2010г

7. Клишин В.И., Клишин С.В. Исследование процессов выпуска угля при отработке мощных пологих и крутых угольных пластов ФТПРПИ, № 2, 2010.

8. Клишин В.И. Технология выемки крутопадающих пластов Уголь Кузбасса, № 3, 2009

9. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. Макеевка-Донбасс, 1989. - 311с.

Авторы статьи:

Клишин Опрук

Владимир Иванович, Глеб Юрьевич,

чл.-корр.РАН, м.н.с. ИГД СО РАН

директор Института угля СО Email: iuu@icc.kemsc.ru

РАН

Email: iuu@icc.kemsc.ru