Обоснование области применения и выбора метода обеспечения метановой безопасности высокопроизводительной очистной выемки угля

© Н.О. Каледина, С.С. Кобылкин, 2008

Н.О. Каледина, С.С. Кобылкин

ОБОСНОВАНИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И ВЫБОРА МЕТОДА ОБЕСПЕЧЕНИЯ МЕТАНОВОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОЙ ОЧИСТНОЙ ВЫЕМКИ УГЛЯ

Сегодня управление газовыделением в угольных шахтах осуществляется средствами вентиляции и дегазации (соответственно аэродинамическими, газодинамическими и комбинированными методами). В настоящее время на высокопроизводительных шахтах комбинированный метод является основным.

Одним из современных подходов к решению аэрогазодинамических задач является комплексное решение аэрогазодинамических вопросов в масштабах высокопроизводительных шахт, разработка методов оценки аэрогазодинамики с токи зрения оптимизации всего комплекса работ. В этом плане процессы аэрогазодинамики иногда необоснованно рассматриваются лишь как ограничения, без учёта взаимосвязи всех происходящих процессов в шахте.

На метаноносных пластах повышение интенсивности вентиляции достигло своего предела из-за ограничения скорости воздуха в очистном забое (не более 4 м/с по пылевому фактору). Поэтому без применения дополнительных мер по ограничению поступления метана в шахтную атмосферу высокопроизводительная работа механизированных комплексов на пластах угля с природной газоносностью, превышающей 8-10 м3/т и при выделении метана из выработанного пространства более 20 % от общего поступления на участок характеризуются высокой степенью взрывоопасности.

Целью данной работы является определение области применения существующих методов управления газовыделением, обоснование параметров при которых должен применяться, тот или иной метод управления газовыделением, разработка новых способов управления метановыделением.

9

Основная идея заключается в представлении алгоритма по выбору метода управления газовыделением с учётом горногеологических, технологических факторов и организационных условий.

Для этого необходимо решение следующих задач:

1) обоснование критериев целесообразности применения управления газовыделением;

2) определение перечня факторов, существенно влияющих на выбор метода;

3) классификация и определение области применения аэродинамических методов;

4) классификация и определение области применения газодинамических методов.

Ограничивающими параметрами при применении аэродинамических методов управления метановыделением в первую очередь являются природная метаноносность, допустимые скорость движения воздуха и концентрация метана в исходящей струе. Эти факторы можно подразделить на нерегулируемые (природные) и регулируемые (технологические). Все многообразие факторов и связи между ними представлены на рис. 1.

Для обоснования критериев целесообразности управления газовыделением необходимо определить, при каких условиях вентиляция - как основной метод обеспечения метанобезопасности - не обеспечивает необходимой эффективности. Основное назначение вентиляции - обеспечение допустимых (значительно ниже нижнего концентрационного предела взрывчатости в смеси с воздухом) концентраций метана в любой точке вентиляционной сети.

Наиболее опасными в отношении взрывов метана являются очистные и подготовительные забои, т.е. места, где непосредственно происходит разрушение угольного пласта. Возможности управления метановыделением в подготовительных забоях в данной работе не рассматриваются. Объектом исследования является выемочный участок.

Из анализа литературных источников и нормативных документов следует, что «газовый барьер» при схемах вентиляции с последовательным разбавлением метана по источникам его поступления обусловен как выделением из разрабатываемого пласта, так и из выработанного пространства.

10

Нерегулируемые природные: горногеологические

Рис. 1. Факторы, влияющие на выбор метода управления газовыделением

11

При схемах с обосбленным разбавлением метана по источникам его поступление - только газовыделением из разрабатываемого пласта.

Следовательно, пропускная способность очистного забоя по воздуху зависит от схемы вентиляции выемочного участка. Этот показатель, определяемый как произведение площади поперечного сечения очистной выработки на допустимую скорость движения воздуха в ней, и является главным ограничением эффективности вентиляции как метода управления метановыделением.

Для недопущения увеличения допустимой правилами безопасности [2] концентрации метана (1 %) в исходящей из очистной выработки (подготовительной выработки, участка) струе воздуха, необходимо подать такое количество свежего воздуха, которое бы разбавило выделяющийся метан до безопасной концентрации. Ограничение правилами безопасности скорости движения воздуха в очистных забоях - 4 м/с принято по пылевому фактору, поэтому превышение указанного предела скорости повышает пылевую опасность, т.к. при этом осевшая пыль переходит во взвешенное, т.е. взрывоопасное, состояние.

Следовательно, изменить пропускную способность забоя по воздуху можно путем изменения площади сечения очистных и вентиляционных выработок, а также путём применения различных схем проветривания участков с управлением газовыделением через выработанное пространство. Такие схемы позволяют увеличить количество поступающего на участок воздуха за счет «подсвежения» и рассредоточить вынос и разбавление метана по отдельным источникам его поступления.

Наиболее рациональными с точки зрения управления метано -выделением являются прямоточные схемы с выдачей исходящей струи на выработанное пространство. Однако такие схемы при определенных режимах вентиляции и нерациональном соотношении основных и «подсвежающих» струй могут приводить к образованию местных скоплений в конце лавы (по ходу исходящей струи) и на расстоянии до 10 м на вентиляционном штреке. В действующем «Руководстве по проектированию вентиляции угольных шахт» приводятся т.н. «коэффициенты безопасности», которые зависят от величины газовыделения из выработанного пространства и утечек воздуха через него. Данные критерии используются для определе-

12

ния целесообразности применения схем с управлением газовыделением, а также безопасных режимов вентиляции.

Следовательно, можно заключить, что основным показателем, ограничивающим возможности вентиляции как метода управления метановыделением, является пропускная способность лавы по воздуху, определяемая как произведение площади поперечного сечения очистной выработки на допустимую скорость движения воздуха. Значение допустимой скорости движения воздуха в очистном забое нельзя увеличивать по фактору взрывоопасности угольной пыли.

Таким образом, критериями целесообразности применения управления метановыделением являются:

• возможность разбавления выделяющегося в лаве метана максимальным количеством воздуха, которое может быть подано в лаву;

• показатели опасности образования местных скоплений метана в лаве и на вентиляционном штреке при использовании схем с выдачей исходящей струи на выработанное пространство.

При сечении очистной выработки 10 м2 безопасная абсолютная метанообильность пласта составит 24 м3/мин. При абсолютной ме-танообильности, равной 36 м3/мин, безопасное сечение должно составлять не менее 15 м2 (рис. 2).

Исследование зависимости абсолютной метанообильности пласта от природной метаноносности пласта при различной производительности (рис. 3) показывает, что при определённой природной метаноносности пласта и с увеличением нагрузки на очистной забой абсолютная метанообильность растёт. Так при метаноносно-сти пласта равной 12 м3/т и производительности 2000 т/сутки газовую безопасность можно обеспечить только аэродинамическими методами без применения газодинамических. А при производительности 5000 т/сутки, даже с применением пластовой дегазации (кд = 0,3) газовую безопасность не обеспечить.

Этот факт ставит в затруднительное положение работников шахт, с учётом того, что сейчас нагрузки на очистной забой намного больше 2000 т/сутки и достигают 20000 т/сутки, растут глубина ведения работ и метаноносность пластов.

13

). м 3 /мп

Э, м2

то о о

5

о

то

110.0 105.0 100,0 95.0

90.0 85,0 80.0 75.0 70.0 65.0 60,0 55.0 50.0 45.0 40,0 35.0 30.0 25.0 20.0 15.0 10,0 5,0 0,0

1

2 3

1N

з

\-* к ? К >1 -»

3

1—1

.3.

34

8

о В £

27 3

г

С 20 -!

3 4 5 б 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 природная метаноносность Хпр, м'/т

§

1.5 2

Сл

q, м-7т

- д о 6ь ЕЧ а п О Л езн о ГО н с КО п ас МО ГО 6 еэ пр н мен сн ня пл астр В 0 й ДСГЭСЗ ацни с пр р нз во дн тел ьн р С*ГЪК> А=5000 т/сутаи

добыча полезного ископаемого при применения пласта бой дегазации (кд=0,3) с производительностью А=500 0 т/сутки

- аб с ол ютн ая метан а а бил ьн о сть р азр аб атьевае мого пл аста, р аабавляе мая вентиляцией

Рис. 2. Зависимости абсолютной метанообильности пласта от природной метаноносности

Наиболее исследуемым параметром, от которого зависит интенсивность выделения метана в очистном забое, является рабочая скорость выемочного комбайна. С увеличением скорости комбайна увеличивается количество и концентрация метана. Для снижения концентрации метана с увеличением метаноносности пласта нужно уменьшить нагрузку на лаву. При метаноносности пластов 15 м3/т эксплуатационная производительность выемочной машины не должна превышать 0,7 т/мин. При метаноносности 30 м3/т и более необходимо искать новые способы увеличения нагрузки на лаву. Исследования показали, что метаноносность пласта в зоне работы выемочного органа значительно меньше, чем в массиве. Величина метаноносности пласта в рабочей зоне зависит от продолжительности перерывов между очередными обнажениями, т.е. при прочих равных условиях - от длины лавы.

По этому поводу у исследователей нет единого мнения. Так, в своих исследованиях В.Н. Лаврухин указывает, что для снижения метаноносности в зоне выемки необходимо увеличивать длину лавы. Тем более, что тенденция технического развития за рубежом показывает увеличение рабочей скорости подачи комбайнов до 1020 м/мин и увеличение длины лавы до 400 м и более. Рекомендуется односторонняя схема выемки с последующей зачисткой. Эта схема работы комбайна обеспечит равномерное обнажение плоскости забоя и увеличение продолжительности цикла между последующими обнажениями в одной точке. Однако С.Н. Осипов [2] приводит зависимости, по которым предельная длина лавы уменьшается с увеличением метанообильности. Для получения высокой нагрузки на забой по его расчётам необходимо принимать длину лавы менее 60 или более 200 м. А.А. Мясников [3] и другие рекомендуют по фактору вентиляции длину лавы от 90 до 130 м, т.к. при лавах большей длины возникают значительные трудности по дегазации выработанного пространства. С увеличением длины лавы повышается поступление метана из выработанного пространства.

Вентиляция должна предотвращать формирование взрывоопасных параметров шахтной атмосферы, создавая тем самым условия для высокопроизводительной работы добычного оборудования. Проведённые теоретические исследования и приведённые на их основании зависимости показывают, что на

15

1 добыча полезного ископаемого без применения пластовой дегазации с производительностью А=1 ООО т\сутки

2 -добыча полезного ископаемого без применения пластовой дегазации с производительностью А=2000 т\сутки

3 -до быча полезного ископаемого без применения пластовой дегазации с пр оизводительно стъю А=5 ООО т\сутки

4 -до быча полезного ископаемого без применения пластовой дегазации с пр оизво дительно стъю А=8 300 т\сутки

5 -абсолютная метано о бильно сть пласта р азбавляемая вентиляцией

Q -------до быча полезного ископаемого при применения пластовой дегазации (кд=0,3) с производительностью А*=1 ООО

т/су тхи

7 -------до быча полезного ископаемого при применения пластовой дегазации (кд=0,3) с производительностью А*=2000

т/сутаи

3 -------добыча полезного ископаемого при применения пластовой дегазации (кд=0,3) с производительностью А* =5000

т/сутки

9 -------до быча полезного ископаемого при применения пластовой дегазации (кд=0,3) с производительностью А*=8300

т/сутки

Рис. 3. Зависимости абсолютной метанообильности пласта от природной метаноносности при различной нагрузке на очистной забой *

Ожидаемая газообильность выемочного участка, м3/мин

Рис. 4. Области экономической целесообразности применения различных способов борьбы с метаном: В - вентиляция; Д - дегазация; К - комплексная дегазация; Х - новые способы борьбы с метаном; 1 - граница целесообразного применения одной вентиляции; 2 - то же, вентиляции совместно с дегазацией; 3 - граница возможного применения одной вентиляции; 4 - то же, вентиляции совместно с дегазацией

сегодняшний день средствами вентиляции и пластовой дегазации обеспечить газовую безопасность на шахтах с производительностью более 5000 т/сутки и природной газоносностью более 8 м3/т невозможно, даже с учетом совместной пластовой дегазации (т.к. эффективность последней не превышает 0,4-0,6). Снижение мета-ноносности возможно только путем проведения заблаговременной дегазации.

Учёные ВостНИИ [4, 5] полагают, что вентиляцию экономически целесообразно применять при газообильности выемочного участка не более 5-7 м3/минуту (рис. 4). При этом нагрузки на очистной забой не могут быть выше 2000-3000 т/сутки (область В). При

18

газовыделении и нагрузках на забой выше указанных величин экономически целесообразно при-менять вентиляцию совместно с дегазацией (В+Д). При этом нагрузки могут достигать 400010000 т/сутки при ожидаемом газовыделении 10-17 м3/минуту. Надо отметить, что во многих случаях экономически целесообразно применять одну вентиляцию - линия 3 - при сечении при-забойного пространства 5 м2 и допустимой концентрации метана в исходящей струе до 1 %.

Совместное применение вентиляции и дегазации возможно также при газовыделении выше 15-17 м3/минуту (В+У). При газообильности участка свыше 25 м3/минуту обеспечение нормальной газовой ситуации при помощи вентиляции совместно с дегазацией (при коэффициенте эффективности последней 50 %) затруднительно (Х). Для этих условий необходима разработка и применение с жестким и постоянным контролем новых методов управления газовыделением: как аэродинамических, так и газодинамических.

В основу алгоритма выбора газодинамического метода управления газовыделением (рис. 5) положена первоначально применявшаяся проектными организациями методика прогноза газообильности шахт Кузбасса по газоносности угольных пластов [6]. Алгоритм предусматривает математическую формализацию основных положений действующих нормативных документов по дегазации угольных шахт с учетом некоторых особенностей горногеологических условий Кузбасса.

Подготовка информации для определения необходимости применения дегазации заключается в подборе данных для раздельного сравнения средней газообильности выемочного участка 1уч и газообильности подготовительных выработок 1п с их допустимыми значениями (1уч.доп. и 1п.доп).

Прогноз газообильности может осуществляться как по природной газоносности, так и по фактической газообильности участков-аналогов (последние данные являются предпочтительными). Далее происходит пошаговое сравнение планируемого значения газообильности объекта с допустимым значением, определенным по вышеуказанным критериям. Таким образом определяется область применения различных способов дегазации для рассматриваемых условий.

На основе вышеприведенных результатов можно сделать следующие выводы.

19

Подготовка информации

А

Выбор способа дегазации подготовительных выработок

Рис. 5. Алгоритм выбора варианта дегазации

20

1. При увеличении нагрузки на лаву до 3000-5000 т/сут возможности существующих вентиляционных методы управления газовыделением ограничены.

2. Необходима значительная степень снижения газообильности, как выработанного пространства, так и разрабатываемого пласта, что требует применения способов комплексной дегазации с рациональным сочетанием схем проветривания выемочных участков.

3. При природной газоносности пласта более 8-10 м3/т и высоких нагрузках на очистной забой (свыше 5000 т/сутки) пропускная способность лавы по воздуху ограничивает допустимую газообильность пласта, что требует обязательного проведения заблаговременной дегазации массива для снижения метаноносности в зоне выемки.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Правила безопасности в угольных шахтах ПБ 05-618-03 М. - НТЦ «Промышленная безопасность», 2007.

2 Ушаков К. З. Газовая динамика шахт. - М.: - Недра 1984.

3 Мясников А.А. Проветривание горных выработок при различных системах разработки. - М.: - Госгортехиздат, 1962.

4 Рябченко А.С., Медякин С.В., Пономарёв Г.А. Области экономической целесообразности применения дегазации и других способов управления газовыделением в угольных шахтах (стр. 56). Управление газовыделением средствами вентиляции и дегазации в угольных шахтах. Кемерово. - Труды ВостНИИ, 1980 г.

5 Болгожин Ш.А., Хакимжнов Т.Е., Кизряков А.Д., Камбаков Т. Управление газовыделением на шахтах Карагандинского бассейна. - Алма-Ата: Наука КазССР, 1980.

6 Методика прогноза газообильности горных выработок проектируемых шахт Кузбасса по данным газоносности угольных пластов (издание второе, дополненное). - Кемерово: ВостНИИ, 1967. ШИН

— Коротко об авторах -

Каледина Н.О. - профессор, доктор технических наук, зав. кафедрой «Аэрология и охрана труда» Московского государственного горного университета,

Кобылкин С. С. - студент-дипломник специальности «Безопасноть технологических процессов и производств (горная промышленность)» Московского государственного горного университета.

© Н.О. Каледина, 2008

21