Совершенствование проветривания высокогазообильных выемочных участков (опыт шахты «Распадская»)

Н. О. Каледина, А.В. Рыжов, В.А. Вальц

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОВЕТРИВАНИЯ ВЫСОКОГАЗООБИЛЬНЫХ ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ

Эффективное и надежное проветривание горных выработок является одним из основных факторов, обеспечивающих безопасные и комфортные условия ведения горных работ на шахтах. Несмотря на определенные успехи, достигнутые при дегазации угольных пластов, эффективное проветривание было и остается основным способом управления газовыделением, разжижением и удалением газов из действующих очистных и подготовительных забоев, поддерживаемых горных выработок и выработанных пространств.

Однако пылегазовые условия в забоях вследствие углубления и повышения интенсивности ведения горных работ в значительной степени усложнились, а потребность в снабжении воздухом на участках и в забоях резко увеличились.

Кроме того, вследствие повышения нагрузки на выемочные участки путем увеличения длины и скорости подвигания очистных забоев значительно снизилась эффективность дегазации разрабатываемых смежных пластов и пропластков угля, что также компенсируется в основном увеличением количества воздуха, подаваемого на участки.

Это характерно даже для наиболее «благополучных» шахт, где вопросам промышленной безопасности добычи угля уделяется максимум внимания.

В настоящее время шахта «Распадская» проветривается четырьмя вентиляционными установками типа ВОД-40, установленными на вспомогательных стволах блоков №№ 3, 4 и 5 и вентиляционном стволе блока № 4. Способ проветривания шахты - нагнетательный, схема проветривания - центрально-отнесенная. Система проветривания шахты проектировалась как секционная, но на сегодня блоки имеют между собой соединительные выработки с конвейерным транспортом

Проветривание выемочных участков до недавнего времени осуществлялось следующим способом:

- метан, выделяющийся из разрабатываемого пласта в призабойное пространство очистного забоя, удаляется вентиляционной струей с допустимым содержанием метана по вентиляционному штреку за счет общешахтной депрессии, создаваемой вентилятором главного проветривания (составляет 30-40 % в газовом балансе выемочного участка);

- метановоздушная смесь из разрабатываемого пласта и метан, поступающий из вмещающих пород по системе аэродинамических каналов в зонах обрушения пород кровли лавы с помощью газоотсасывающего вентилятора УВЦГ-9, через вентиляционный штрек, дегазационную скважину выдается на поверхность (составляет 6070% в газовом балансе выемочного участка);

- метан, выделяющийся из разрабатываемого пласта в районе межлавного целика и метан, поступающий из вмещающих пород в выработанное пространство выше отработанной лавы, отводится по системе аэродинамических каналов в зонах обрушения пород кровли лавы с помощью газоотсасывающего вентилятора УВЦГ-9, по неподдерживаемому конвейерному штреку вышележащей лавы, дегазационной скважине и далее выдается на поверхность.

Нужно отдать должное этой схеме управления газовыделени-ем, благодаря которой стали возможны высокие нагрузки в очистных забоях за последние годы. Но с увеличением размеров выемочных участков нагрузки на очистной забой концентрации горных работ и как следствие увеличение газообильности с одной стороны появились трудности:

- необходимость выноса ВМЦГ на поверхность;

- низкая эффективность при сравнительно больших размерах выемочного участка по простиранию (1-1,5 км);

- отвод метановоздушной смеси небезопасной концентрации;

- значительная трудоемкость и стоимость работ.

При дальнейшем развитии горных работ все эти проблемы будут возрастать (увеличение длины, диаметра скважин, применение более мощных установок; удаленность поверхностного комплекса; ЛЭП, связь, сооружение и эксплуатация подъездных путей и т.д.).

Поэтому руководством шахты была поставлена задача изыскания более эффективных методов и средств проветривания, к реше-

нию которой были привлечены специалисты Московского государственного горного университета.

Было произведено обследование и диагностика состояния шахтных систем вентиляции и дегазации, вскрывшие основные недостатки системы в целом.

Общее количество воздуха, подаваемое четырьмя вентиляторами составляет 67720 м3/мин, внешние утечки через надшахтное здание и элементы вентиляционных установок - 15490 м3/мин, что составляет 23 % от проходящего через вентилятор количества воздуха. То есть почти четверть мощности вентиляторных установок расходуется не рационально из-за слабой герметизации надшахтных зданий и вентиляторных установок. Малые внешние утечки ВОД-40 блока № 5 и ВОД-40 вент. ствола блока № 4бис объясняются хорошим качеством изоляции надшахтного здания, несколько хуже изоляция у надшахтного здания блока № 4. Худшие показатели у вспомогательного ствола блока № 3.

Наименьшее количество воздуха в шахтную вентиляционную сеть подает ВОД-40 вентиляционного ствола блока № 4 («зажа-тость» со стороны других вентиляторных установок и отсутствие выходов на дневную поверхность в виде наклонных выработок). Наибольшее количество воздуха по стволу подает ВОД-40 блока № 5 и ВОД-40 вентиляционного ствола блока № 4бис. Однако коэффициент использования ВОД-40 блока № 4бис значительно больше ВОД-40 блока № 5 (70 и 45 % соответственно). Коэффициент использования вентилятора ВОД-40 блока № 3 составляет 30 % от фактической подачи (в связи с сокращением горных работ в блоке № 3), с его помощью проветриваются выработки пласта 6-6а блоков №№ 3, 4. Коэффициент использования вентилятора ВОД-40 блока № 4 составляет 37 % от фактической подачи, в связи с углублением горных работ ниже горизонта + 70 м до которого пройден вспомогательный ствол блока № 4 и переводом ряда пластов (7-7а, 10 блока № 4) на проветривание с вентиляционного ствола блока № 4бис.

После сбойки ВНС гор.+35 м, выработок пласта 4-9 с гор.-210 м и организации проветривания этих выработок с вентиляционного ствола блока № 4бис коэффициент использования ВОД-40 блока №

4 составит 10-15 %, оставшийся воздух будет создавать дополнительную депрессию в шахтной вентиляционной сети, другими словами будет осуществлять подпор исходящих вентиляционных

струй по пластам с помощью утечек по околоствольным дворам, заездам, сбойкам с квершлагов, РПП, бункерам.

После сбойки выработок пласта 6-6а блока № 4 (середина 2004 года) с вентиляционным стволом блока № 4бис наступит дефицит воздуха, подаваемого ВОД-40 этого ствола. Для сглаживания последствий этой ситуации необходимо будет увеличить производительность вентилятора на вентиляционном стволе блока № 4бис и уменьшить производительность вспомогательного ствола ВОД-40 блока № 4 путем изменения разворота лопаток рабочих колес вентиляторов.

Кроме того, с развитием горных работ и ведением их ниже гор.+70, появилась еще одна серьезная проблема - электроснабжение подземных токоприемников от РПП гор. + 70. Электрокабель-ное хозяйство, пластовые водоотливы, подстанции, компрессоры, приводы (в т.ч. и высоковольтные) ленточных конвейеров, доста-вочные лебедки, дизельный транспорт и т.д. оказались на исходящих струях воздуха, что требует дополнительной газовой защиты и значительно повышает вероятность аварийных ситуаций. Эту проблему возможно частично решить, запитав все электропотребители через вентиляционный ствол блока №4бис.

Существенным недостатком вентиляционной системы является и большое количество горных выработок, имеющих выход на поверхность. С одной стороны, они служат для выдачи исходящей струи на поверхность, с другой стороны, это затрудняет регулирование вентиляционных струй, а также способствует несанкционированному проникновению посторонних лиц, хищениям. Большая протяженность сети горных выработок (около 270 км), треть которых используется только для выпуска исходящих струй воздуха на поверхность, характеризуется высоким аэродинамическим сопротивлением, т.к. в основном это «старые» выработки, сравнительно небольших сечений, большой протяженностью, захламленностью, аварийным состоянием.

Таким образом, существующая схема проветривания достаточно громоздкая, трудноуправляемая, неустойчивая и затратная.

Для устранения этих недостатков было предложено перейти к прямоточной схеме вентиляции выемочных блоков (фланговой крыльевой), которая обеспечит проветриванием выемочных участков также по прямоточным схемам с нисходящим движением воздуха в очистных забоях.

Угол падения пластов, разрабатываемых шахтой «Распадская», позволяет применять такие схемы, основным достоинством которых является подача свежей струи воздуха в забой по всем, примыкающим к нему выработкам, с выдачей исходящей струи в сторону выработанного пространства. Однако, в связи со сложностью поддержания участковых выработок на контакте с выработанным пространством, был реализован вариант комбинированной схемы с выдачей исходящей на ближайшую переднюю сбойку и отводом исходящей струи по параллельному штреку на фланговый уклон.

Воздух на пласт подается по центральному уклону (снизу или сверху), далее по вентиляционному штреку действующей лавы. Эта выработка обладает низким поверхностным метано-выделением, так как пройдена гораздо раньше конвейерного штрека. Таким образом, одновременно решается проблема пылеобразования и попадания метана из отбитого угля, транспортируемого по ленте, в свежую струю воздуха (а это 10-15% газового баланса выемочного участка). Проветривание межлавного целика осуществляется за счет общешахтной депрессии по заранее сохраненному конвейерному штреку вышележащей лавы. Проветривание очистного забоя нисходящее (разрешено ПБ в угольных шахтах § 240 до 10 град.), далее по сохраненному конвейерному штреку действующей лавы до ближайшей передней сбойки, далее на промежуточный штрек (вентиляционный штрек нижележащей лавы) до флангового вентиляционного уклона и далее на поверхность. Конвейерный штрек действующей лавы проветривается за счет утечек, в результате чего происходит его проветривание и подсвежение метановоздушной смеси поступающей на промежуточный штрек, вторичное подсве-жение происходит на сопряжении сбойки с конвейерного штрека действующей лавы с вентиляционным штреком нижележащей лавы.

Метан, выделяющийся в выработанном пространстве, и часть метана, выделяющегося из отбитого угля, за счет депрессии, создаваемой вентиляторами главного проветривания, будет вытесняться в сторону монтажной камеры действующей и вышележащей лав. Тем самым создаются аэрогазодинамические условия, препятствующие проникновение метана в действующие выработки. Причем чем лучше будет качество изоляционных перемычек, тем меньше будут утечки воздуха и, как следствие, выше концентрация метана в метановоздушной смеси (прогнозируется до 80-100 % с постоян-

ным расходом 60-100 м3/мин в период отработки выемочного участка в условиях пласта 6-6а смесь является пригодной для промышленного использования и может перекачиваться вакуумными установками ВВН-150.

Применение такой схемы при отработке нескольких лав показало ее высокую эффективность: позволило обеспечить надежное разбавление метана в исходящей струе участка, избежать загазиро-ваний и обеспечить высокую скорость подвигания очистных забоев.

Кроме того, переход к прямоточной схеме вентиляции выемочного блока позволяет в целом улучшить качество вентиляционной системы.

Существующая на шахте центральная схема проветривания отличается крайне низкой устойчивостью проветривания (при разгерметизации шлюзов происходят существенные закорачивания вентиляционных струй и их опрокидывание, что может привести к аварийной ситуации/

Применение этой схемы допустимо при небольшой длине шахтного поля (как правило, до 2-х км), метанообильности 15 м3/т и производственной мощности не более 2000 т в сутки. Кроме того, при центральной схеме проветривания происходит неконтролируемый вынос метана из выработанного пространства в очистной забой. Для его исключения приходится применять отвод метановоздушной смеси на фланг при помощи фланговых дренажных выработок, вертикальных скважин, выходящих на поверхность, и газоотсасывающих установок.

Фланговые схемы проветривания характеризуются расположением одного-двух стволов в центре шахтного поля, а двух других - на его флангах. Поступивший в шахту свежий воздух движется по выработкам основного горизонта в сторону очистных забоев и после их проветривания выходит на вентиляционный горизонт и, не меняя направления, движется к воздуховыдющим стволам для выхода на дневную поверхность. Сохранение одного и того же направления свежих и загрязненных струй воздуха обеспечивает минимальные внутренние утечки воздуха, наиболее короткий путь движения вентиляционной струи; минимальную и практически постоянную величину общешахтной депрессии; большее число запасных выходов из шахты; более надежное регулирование

распределение воздуха в сети; высокую устойчивость проветривания.

Именно благодаря этим качествам фланговые схемы рекомендуются к применению при наиболее сложных условиях разработки рудных и угольных месторождений, когда значительна длина шахтного поля по простиранию; при разработке пластов III и сверхкатегорных по газу; при разработке месторождений, склонных к самовозгоранию [1]. Таким образом, применение фланговой схемы проветривания должно быть основным для абсолютного большинства современных высокопроизводительных газообильных угольных шахт

Для внедрения фланговой схемы проветривания на шахте «Распадская» необходимы фланговые выработки для выдачи исходящей струи воздуха. Наиболее приемлемое решение этой проблемы - бурение на флангах скважин большого диаметра, с установкой на их устьях вентиляторов, работающими во всасывающем режиме. В настоящее время - до сооружения фланговых вентиляционных выработок возможно использование действующих выработок для выдачи исходящей на флангах (вентиляционный ствол блока № 3 и скважина диаметром 3,6 м; на 5 блоке - пластовые уклоны, СПК и сеть бремсбергов пласта 5-6).

Опыт использования фланговой схемы вентиляции на шахте «Распадская» (за последние 7 лет отработаны и отрабатываются лавы: 5а-7-20, 5а-7-22, 5а-7-22бис, 5а-6-12, 5а-6-14, 5а-6-16, 4-6-25, 4-6-27, 4-6-29) показал, что проветривание в этих лавах отличалось устойчивостью по расходу и направлению. На рис. 1 и рис. 2 показаны графики, подтверждающие повышение устойчивости проветривания блоков при прямоточном проветривании.

444

Следовательно, можно констатировать, что реконструкция вентиляционной системы шахты с изменением центральной схемы на фланговую и соответствующим изменением схемы проветривания выемочных участков также на прямоточную с нисходящим движением воздуха в лаве, позволяет эффективно решать вопросы проветривания и управления газовыделением высокопроизводительных газообильных участков.

---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. Макеевка-Донбасс, 1989.

— Коротко об авторах -----------------------------------------------

Каледина Нина Олеговна - профессор, доктор технических наук, зав. кафедрой «Аэрология и охрана труда»,

Рыжов А.В.,

Московский государственный горный университет.

Вальц В.А. - горный инженер, ш. «Распадская».

© К.С. Коликов, Ю.Н. Бобнев,

2007

УДК 622.41

К.С. Коликов, Ю.Н. Бобнев

ПЕРСПЕКТИВНЫЙ АНАЛИЗ СПОСОБОВ ДЕГАЗАЦИИ