СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕМ ИЗ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА
METHOD FOR CONTROL OF GAS RELEASE FROM STRIPPED AREA

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к способам управления газовыделением из выработанного пространства при разработке свиты высокогазоносных сближенных угольных пластов, осуществляемого с целью извлечения содержащегося в них газа метана, обеспечивающего снижение газообильности выемочных участков и повышение нагрузки на очистной забой.
Известен способ управления газовыделением из выработанного пространства, включающий подачу свежего воздуха к очистному забою за счет общешахтной депрессии по двум оконтуривающим выемочный столб выработкам при прямоточной схеме проветривания с подсвежением исходящей струи и отводом ее по поддерживаемой за очистным забоем выработке (1).
Недостаток способа (1) состоит в том, что он не позволяет достаточно эффективно управлять газовыделением, так как утечками воздуха, протекающими через обрушенные породы кровли выработанного пространства и поступающими в поддерживаемую за очистным забоем выработку, происходит вымывание метана за очистным забоем в поддерживаемую выработку как из призабойной зоны разрабатываемого пласта, так и из периодически проявляющихся зон вторичных осадок основной кровли, что повышает газовыделение в поддерживаемую выработку. Поскольку удаление метана из выработанного пространства при реализации данного способа основывается на использовании только средств вентиляции, то концентрация метана в поддерживаемой за очистным забоем выработке в периоды проявления вторичных осадок основной кровли зачастую достигает критической величины, что приводит к остановкам очистных работ и снижению нагрузки на забой, в особенности при разработке свиты угольных пластов, характеризующихся высокой природной метаноносностью.
Известен способ управления газовыделением из выработанного пространства при разработке свиты угольных пластов, один из которых отрабатывают первым, включающий подачу свежего воздуха к очистному забою за счет общешахтной депрессии по двум оконтуривающим выемочный столб выработкам при прямоточной схеме проветривания с подсвежением исходящей струи и отводом ее по поддерживаемой за очистным забоем на границе с выработанным пространством выработке, причем удалением метана из выработанного пространства осуществляют не только средствами вентиляции с помощью потока метановоздушной смеси, создаваемого утечками воздуха, выносимыми из очистного забоя через выработанное пространство за счет общешахтной депрессии в поддерживаемую часть конвейерной выработки и подсвежения по ней, но и средствами дегазации путем каптирования части потока метановоздушной смеси, протекающей по выработанному пространству, по дегазационным скважинам, пробуренным в подрабатываемую углепородную толщу из поддерживаемой за очистным забоем выработки в сторону выработанного пространства (2).
Недостаток способа управления газовыделением из выработанного пространства (2), основанного на использовании схемы вентиляции и дегазации выемочного участка при прямоточной схеме проветривания с подсвежением исходящей струи, согласно действующему нормативному документу (2), состоит в том, что процесс проветривания очистного забоя и поддерживаемой за очистным забоем выработки и процесс дегазации подрабатываемых спутников, технологически не связанные между собой, не обеспечивают возможность на данном этапе в комплексе контролировать процесс управления газовыделением с тем, чтобы своевременно корректировать параметры дегазации (концентрации и дебита метана) в процессе подвигания очистного забоя для обеспечения и удаления метановоздушной смеси из выработанного пространства повышенной концентрации.
Известен способ управления газовыделением из выработанного пространства при разработке угольных пластов, один из которых отрабатывают первым, включающий проведение оконтуривающих выемочный столб воздухоподающих конвейерной и вентиляционной подготовительных выработок, определение состава, мощности и прочности пород непосредственной кровли разрабатываемого угольного пласта, протяженности зон активного газовыделения и разгрузки пластов-спутников, а также зоны максимального газовыделения подрабатываемого пласта-спутника, подачу свежего воздуха к очистному забою за счет общешахтной депрессии по двум оконтуривающим выемочный столб выработкам при прямоточной схеме проветривания с подсвежением исходящей струи и отводом ее по поддерживаемой за очистным забоем выработке, которую изолируют от выработанного пространства с помощью установки вслед за подвиганием очистного забоя органного ряда и возведения изолирующей стенки с образованием между ними газодренажной выработки, а по мере подвигания очистного забоя в изолирующей стенке выполняют дренажные окна, которые до начала их работы герметично перекрывают. Одновременно с образованием газодренажной выработки в поддерживаемой выработке сооружают газодренажную камеру, на примыкании к которой части выработанного пространства по мощности углепородной толщи формируется зона улавливания метана. Причем газодренажную камеру возводят в зоне активного газовыделения пластов-спутников и выполняют относительно очистного забоя из передней и задней частей. Каждая из них включает часть изолирующей стенки с дренажным окном, проходную перемычку с вентиляционной дверью, прилегающую к проходной перемычке направляющую стенку, которую сооружают вдоль поддерживаемой выработки, примыкающие к направляющей стенке впереди и позади нее предохранительные решетчатые перегородки, при этом решетчатая перегородка, примыкающая к проходной перемычке, совместно с последней выполняет функцию воздухопроницаемой проходной перемычки. Одновременно с отводом исходящей струи из очистного забоя посредством утечек воздуха при прохождении их через выработанное пространство и органный ряд газодренажной выработки создают поток метановоздушной смеси, одну часть которого отводят по газодренажной выработке в исходящую выемочного участка за счет устройства в изолирующей стенке дренажных окон и образования газодренажной камеры в поддерживаемой выработке, обеспечивающих после подсвежения в ней вынос этой части потока из зоны активного газовыделения пластов-спутников газа метана. При этом одновременно с отводом исходящей струи из очистного забоя посредством утечек воздуха другую значительно существенную часть создаваемого в выработанном пространстве потока метановоздушной смеси отводят в глубину выработанного пространства за пределы выемочного участка, а именно в исходящую вентиляционного участка по вентиляционным скважинам с помощью комплекса газоотсасывающего оборудования, включающего всасывающий трубопровод и газоотсасывающий вентилятор, который устанавливают в устье всасывающего трубопровода, противоположный конец которого пропущен через изолирующую перемычку, сооруженную в дополнительной выработке, которая пройдена из вентиляционной выработки подрабатываемого пласта-спутника и соединена с выработанным пространством разрабатываемого пласта посредством упомянутых скважин, пробуренных из погашенной вентиляционной выработки отрабатываемого выемочного столба. При этом переднюю часть газодренажной камеры располагают от очистного забоя на расстоянии не более протяженности участка между очистным забоем и началом зоны активного газовыделения надрабатываемых пластов-спутников, а заднюю - соответственно на расстоянии не более протяженности участка между очистным забоем и концом зоны активного газовыделения надрабатываемых пластов-спутников, и которую периодически переносят вслед за подвиганием очистного забоя с опережением передней перемычки после отхода очистного забоя от передней части газодренажной камеры на расстояние, не превышающее длину зоны активного газовыделения подрабатываемого пласта-спутника. При этом в поддерживаемой выработке при работе в сложных горно-геологических условиях, например при наличии особо сближенных высокогазоносных надрабатываемых угольных пластов-спутников, впереди передней части газодренажной камеры на стадии ее сооружения между очистным забоем и зоной максимального газовыделения из подрабатываемого пласта-спутника устанавливают дополнительную проходную перемычку с вентиляционной дверью, обеспечивающую более активное поступление в газодренажную выработку дополнительной части подсвежающего воздуха из поддерживаемой выработки. Описанный цикл управления газовыделением из выработанного пространства по мере отхода очистного забоя от газодренажной камеры повторяют (3).
Данный способ предназначен для управления газовыделением из выработанного пространства при разработке угольных пластов, характеризующихся высокой метаноносностью, поскольку обеспечивает удаление метана из выработанного пространства с использованием не только средств вентиляции, но и комплекса дополнительных технических средств, а именно газодренажной камеры и газоотсасывающего оборудования, при использовании которого концентрация отсасываемой из выработанного пространства метановоздушной смеси ограничена в этом случае, согласно правилам безопасности, максимально допустимой величиной, не превышающей 3,5% метана, а затем разбавляемой вентиляционной струей на исходящей вентиляционного участка до концентрации не более 1% метана.
Способ актуален применительно к условиям залегания свиты высокогазоносных сближенных угольных пластов, один из которых отрабатывают первым, то есть в условиях периодически разгружающейся высокогазоносной углепородной толщи, что сопровождается высвобождением из нее газа метана и отводом одной части метановоздушной смеси по газодренажной выработке в исходящую выемочного участка, протекающей через выработанное пространство, а другой части потока метановоздушной смеси - за пределы выемочного участка, обеспечивая тем самым в поддерживаемой за очистным забоем выработке максимально допустимый, согласно правилам безопасности, уровень концентрации метана. Отсюда следует, что данное техническое решение устраняет недостатки, присущие аналогам (1 и 2). Поэтому его можно считать более эффективным за счет удаления метана максимально возможной, как упомянуто выше, концентрации из выработанного пространства с помощью комплекса указанных выше технических средств, а за счет этого соответственно - обеспечение возможности создания резерва для повышения нагрузки на забой. Поскольку указанный способ по большинству существенных признаков совпадает с заявляемым изобретением, то этот способ (3) был принят в качестве прототипа.
Вместе с тем несмотря на наличие дополнительной перемычки, применяемой в сложных горно-гелогических условиях и обеспечивающей дополнительное оттеснение метановоздушной смеси в сторону выработанного пространства за счет ее аэродинамического сопротивления, она так же, как и способ в целом, не оказывает существенного влияния на процесс снижения газообильности выемочного участка, так как элементы газовентиляционной системы вентиляционного участка, включающие в себя зону разгрузки углепородной толщи, поддерживаемую за очистным забоем конвейерную выработку, газодренажную камеру, сооруженную в поддерживаемой выработке на примыкании с изолирующей стенкой с выполненными в ней дренажными окнами, а также протекающие через выработанное пространство и органный ряд газодренажной выработки за счет общешахтной депрессии утечки воздуха, образующие поток метановоздушной смеси и совместно создающие в совокупности условия для его отвода или переноса в глубину выработанного пространства другой части этого потока и удаления этой части из выработанного пространства с помощью газоотсасывающего оборудования, представляют собой только средства вентиляции.
По физическому смыслу по этому способу часть выработанного пространства, примыкающая по мощности углепородной толщи к газодренажной камере и через которую за счет оттеснения протекает в глубину выработанного пространства отводимая к вентиляционной скважине другая часть потока метановоздушной смеси, представляет собой свежеобрушенное выработанное пространство, являясь по существу зоной улавливания метана. Под зоной улавливания метана понимается примыкающая к газодренажной камере часть выработанного пространства, формирующейся под влиянием подпора общешахтной депрессии с помощью проходных перемычек и обладающей свойствами коллектора. Зона улавливания метана ограничивается длиной газодренажной камеры или длиной участка между проходными перемычками. Упомянутая зона не изменяет своего положения относительно газодренажной камеры при ведении очистных работ. Ее протяженность в процессе подвигания очистного забоя остается практически постоянной. Поскольку в данном случае используются только средства вентиляции, то увеличить протяженность этой зоны и соответственно объем метана, удаляемого с помощью данного способа из этой зоны выработанного пространства, не представляется возможным. Особенно это не представляется возможным в случае увеличения нагрузки на забой, когда объем выделяющегося из разгружающейся углепородной толщи метана возрастает, а количество подаваемого на выемочный участок воздуха остается прежним.
Особо следует отметить также и то обстоятельство, когда очистные работы осложняются влиянием двух-трех горно-геологических факторов, например таких, как большая глубина разработки и наличие сближенных высокогазоносных угольных пластов. В этом случае возникает необходимость в использовании дополнительной перемычки, возводимой между очистным забоем и зоной максимального газовыделения, то есть впереди газодренажной камеры. Возникающее при этом дополнительное оттеснение метановоздушной смеси в сторону выработанного пространства зависит от способности обрушаемых пород обеспечивать просос в глубину выработанного пространства всего объема формирующегося потока метановоздушной смеси, то есть не всегда могут быть обеспечены просос ментановоздушной смеси и возможность улавливания метана с помощью, как в данном случае, вентиляционных скважин. В этом случае под воздействием сил гравитации обрушенные в выработанном пространстве породы кровли слеживаются, уплотняются, вследствие чего их газопроницаемость, начиная от монтажной камеры и соответственно от вентиляционных скважин, пробуренных вблизи монтажной камеры, существенно снижается.
В связи с изложенным указанный способ характеризуется недостаточной эффективностью процесса удаления метана из зоны разгрузки подрабатываемого пласта, поскольку для этих целей не используются более совершенные средства, а именно средства дегазации, применение которых не требует дополнительного расхода воздуха для разбавления удаляемой из выработанного пространства части потока метановоздушной смеси. Отсюда следует, что применение данного способа сдерживает дальнейший рост нагрузки на забой. Кроме того, в способе-прототипе (3) не решен вопрос формирования зоны переноса, формирующейся в зоне разгрузки на участке между дополнительной перемычкой и зоной улавливания метана в процессе подвигания очистного забоя. Указанные недостатки снижают эффективность использования известного способа.
Задачей заявляемого изобретения является создание способа управления газовыделением, который обеспечивает отвод газа метана повышенной концентрации и дебита из выработанного пространства за счет движения оттесненной части потока метановоздушной смеси из зоны разгрузки подрабатываемого пласта в зону улавливания метана, формирующуюся по мощности разгружаемой углепородной толщи на примыкании к газодренажной камере со стороны выработанного пространства совместно со скважинами для дегазации.
Технический результат, который достигается поставленной задачей, выражается в интенсификации каптирования метана из зоны разгрузки углепородной толщи, увеличении дебита метана выемочного участка, приходящегося на дегазацию, и обеспечении таким образом возможности повышения нагрузки на забой и безопасности очистных работ по газовому фактору.
Для достижения поставленной задачи с заявляемым техническим результатом в способе управления газовыделением из выработанного пространства при разработке свиты высокогазоносных сближенных угольных пластов, предусматривающем отработку одного из них первым и включающем проведение воздухоподающих конвейерной и вентиляционной подготовительных выработок, оконтуривающих выемочный столб, определение состава, мощности и прочности пород непосредственной кровли разрабатываемого угольного пласта, протяженности зон активного газовыделения подрабатываемого и надрабатываемых угольных пластов, протяженности зон разгрузки подрабатываемого и надрабатываемых угольных пластов и зоны максимального газовыделения подрабатываемого пласта, подачу свежего воздуха к очистному забою за счет общешахтной депрессии по двум оконтуривающим выемочный столб воздухоподающим конвейерной и вентиляционной выработкам при прямоточной схеме проветривания с подсвежением исходящей струи и отводом ее по поддерживаемой за очистным забоем конвейерной выработке, которую изолируют от выработанного пространства с помощью установки вслед за подвиганием очистного забоя органного ряда и возведения изолирующей стенки с образованием между ними газодренажной выработки, при этом по мере подвигания очистного забоя в поддерживаемой за очистным забоем выработке в зонах активного газовыделения подрабатываемого и надрабатываемых пластов сооружают воздухопроницаемые проходные перемычки с возможностью образования из их одной пары газодренажной камеры, примыкающая к которой часть выработанного пространства является зоной улавливания метана, причем ближайшую от очистного забоя воздухопроницаемую проходную перемычку, являющуюся передней перемычкой, возводят от него на расстоянии, равном не более протяженности участка между очистным забоем и началом зоны активного газовыделения надрабатываемых пластов, а другую более удаленную от очистного забоя перемычку, являющуюся задней перемычкой, - соответственно на расстоянии, равном не более протяженности участка между очистным забоем и концом зоны активного газовыделения надрабатываемых пластов, при этом заднюю проходную перемычку периодически переносят вслед за подвиганием очистного забоя с опережением передней перемычки после отхода очистного забоя от передней перемычки на расстояние, не превышающее длину зоны активного газовыделения подрабатываемого пласта, при этом одновременно с отводом исходящей струи из очистного забоя в поддерживаемую выработку посредством утечек воздуха при прохождении их через выработанное пространство за счет общешахтной депрессии создают поток метановоздушной смеси, одну часть которого отводят по газодренажной выработке в исходящую выемочного участка, предварительно разбавленную в ней и газодренажной камере подсвеживающим воздухом, а другую значительно существенную часть создаваемого в выработанном пространстве потока метановоздушной смеси отводят из этого пространства за пределы выемочного участка, при этом на стадии сооружения воздухопроницаемых проходных перемычек для образования за очистным забоем газодренажной камеры впереди передней проходной перемычки между очистным забоем и зоной максимального газовыделения подрабатываемого пласта устанавливают дополнительную проходную перемычку, согласно заявляемому техническому решению отвод другой части потока метановоздушной смеси из выработанного пространства осуществляют путем оттеснения его в районе влияния проходных перемычек в направлении расположения зоны разгрузки подрабатываемого пласта, одновременно с которым за счет подпора общешахтной депрессии происходит перераспределение слоев этой части потока метановоздушной смеси по мощности зоны разгрузки в зависимости от концентрации в них метана и соответственно распространение в направлении расположения верхних слоев этой зоны разгрузки зоны улавливания метана, из которой производят каптирование оттесненной части потока метановоздушной смеси по скважинам для дегазации, которые бурят до образования газодренажной камеры из поддерживаемой за очистным забоем выработки в зону разгрузки подрабатываемого пласта, устье каждой из которых располагают позади проектного места возведения каждой воздухопроницаемой проходной перемычки газодренажной камеры, а ее забой - в зоне максимального газовыделения подрабатываемого пласта, причем бурение каждой очередной скважины для дегазации осуществляют вне зоны влияния вторичной осадки основной кровли, при этом дополнительную проходную перемычку первоначально устанавливают в поддерживаемой за очистным забоем выработке на месте, в котором ее вертикальная плоскость совпадает с вертикальной плоскостью, проведенной через точку, являющуюся проекцией забоя ближайшей от очистного забоя скважины для дегазации на почву выработанного пространства, и линию, являющуюся перпендикуляром, опущенным из указанной точки на границу между поддерживаемой выработкой и выработанным пространством, а затем по мере подвигания очистного забоя эту перемычку переносят в направлении отработки выемочного столба с целью формирования в зоне разгрузки зоны переноса для переноса дополнительно оттесняемой части потока метановоздушной смеси между каждым новым местом установки этой перемычки и зоной улавливания метана, причем одновременно с каптированием оттесненной части потока метановоздушной смеси по мере подвигания очистного забоя непрерывно фиксируют значения величин ее концентрации и дебита с целью контроля за уровнем изменения этих параметров, в дальнейшем, как только уровень концентрации метановоздушной смен снизится до минимально допустимой, согласно правилам безопасности, величины образуют следующую газодренажную камеру после бурения очередной скважины для дегазации для повторения цикла отсоса метана из зоны максимального газовыделения подрабатываемого пласта.
Причем при сооружении воздухопроницаемых проходных перемычек для образования газодренажной камеры с одновременным формированием зоны улавливания метана в конвейерной выработке впереди очистного забоя дополнительно сооружают, как минимум, две воздухопроницаемые проходные перемычки с образованием вентиляционного шлюза, предназначенного для перераспределения расхода подаваемого к очистному забою воздуха таким образом, что его большая часть поступает к очистному забою по воздухоподающей вентиляционной выработке.
Причем фиксацию значений величин концентрации дебита метановоздушной смеси выполняют с помощью аппаратуры дистанционного контроля метана, размещаемой в поддерживаемой выработке на выходе ближайшей от очистного забоя скважины для дегазации с подключением ее к дегазационной сети.
Целесообразно в качестве упомянутой аппаратуры использовать измерительное устройство, основанное на измерении концентрации и дебита метана, например аппаратуру контроля эффективности работы газоотсасывающих установок КРУГ.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого изобретения, изложенным в формуле изобретения.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности изобретения - «новизна».
Причинно-следственная связь между заявляемой совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом следующая.
Признак - «отвод другой части потока метановоздушной смеси из выработанного пространства осуществляют путем оттеснения ее в районе влияния проходных перемычек газодренажной камеры в направлении расположения зоны разгрузки подрабатываемого пласта, одновременно с которым за счет подпора общешахтной депрессии происходит перераспределение слоев этой части потока метановоздушной смеси по мощности зоны разгрузки в зависимости от концентрации в них метана и соответственно распространение в направлении расположения верхних слоев этой зоны разгрузки зоны улавливания метана, из которой производят каптирование оттесненной части потока метановоздушной смеси по скважинам для дегазации, которые бурят до образования газодренажной камеры из поддерживаемой за очистным забоем выработки в зону разгрузки подрабатываемого пласта, устье каждой из которых располагают позади проектного места возведения воздухопроницаемой проходной перемычки газодренажной камеры, а ее забой - в зоне максимального газовыделения подрабатываемого пласта» - яваляется основополагающим и создает условия для решения поставленной задачи, а именно благодаря использованию скважин для дегазации, технологически скомпонованных с воздухопроницаемыми проходными перемычками, а также благодаря подпору этой части потока в зоне влияния каждой из этих перемычек подсвеживающим воздухом, протекающим по поддерживаемой за очистным забоем выработке, обеспечивается возможность не только оттеснения этой части потока в зоне влияния проходных перемычек в сторону выработанного пространства в направлении расположения верхних слоев разгружаемой зоны подрабатываемого пласта, но и поджатие этой части потока метановоздушной смеси. При этом за счет влияния упомянутого подпора и свойства плавучести метана происходит перераспределение этой части потока метановоздушной смеси с учетом ее плотности, изменяющейся по мощности разгружаемой зоны. Слои метановоздушной смеси с наиболее высоким содержанием метана под влиянием подпора общешахтной депрессии всплывают в направлении вышерасположенных разгруженных слоев углепородной толщи, формируя зону улавливания метана не только по длине газодренажной выработки, как в прототипе (3), но и по мощности разгружаемой зоны. То есть поджатие и перераспределение оттесненной части потока метановоздушной смеси способствуют повышению концентрации метана, в особенности в верхних слоях зоны разгрузки, а благодаря наличию связи между движущейся в зоне разгрузки под влиянием подпора оттесненной части потока метановоздушной смеси и вакуумом скважин для дегазации достигается каптирование метана повышенной концентрации.
Расположение забоя скважины для дегазации в зоне максимального газовыделения подрабатываемого пласта указывает на совмещение зоны влияния скважины для дегазации и зоны максимального газовыделения, что способствует наиболее полному извлечению метана из выработанного пространства.
Такой способ активного использования объема выработанного пространства, то есть зоны улавливания метана как по ее длине, так и по мощности разгружаемой зоны, в отличие от прототипа (2), в котором она лишь геометрически примыкает к газодренажной камере при отсутствии возможности дегазировать разгружающуюся углепородную толщу, способствует отсосу метана повышенной концентрации из зоны разгрузки именно за счет использования средств дегазации, что создает предпосылки для снижения газообильности выработанного пространства и соответственно обеспечивает повышение нагрузки на очистной забой.
Однако заявитель, проведя дополнительный поиск известных решений в данной области техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого технического решения, установил, что известен из уровня техники вышеописанный отличительный признак, но с другой совокупностью существенных признаков. Это патент РФ №2282030 «Способ разработки свиты сближенных высокогазоносных угольных пластов», кл. Е21С 41/18, 2005 г. (4).
В указанном техническом решении удаление метана из выработанного пространства средствами дегазации происходит путем оттеснения другой части потока метановоздушной смеси, протекающей по выработанному пространству вблизи неподдерживаемой части конвейерной выработки, в зоне влияния каждой из проходных перемычек газосборного коллектора в направлении расположения верхних слоев разгружаемой породной толщи подрабатываемого угольного пласта за счет подпора общешахтной депрессии, которую затем каптируют по скважинам для дегазации, пробуренным в подрабатываемый массив из вентиляционной выработки в сторону выработанного пространства с ориентированием их таким образом, что каждый куст этих скважин находится в зоне влияния перемычек газосборного коллектора.
Положительным свойством данного технического решения является то, что он позволяет осуществлять отсос метана за очистным забоем из разгружаемой углепородной толщи подрабатываемых пластов за счет использования утечек воздуха и общешахтной депрессии в зоне влияния каждой из поперечных перемычек. Однако продолжительность процесса повышенного газовыделения из разгружающейся углепородной толщи сохраняется обычно в течение двух-трех суток, то есть достаточно кратковременна, так как обусловлена проявлением периодически происходящих вторичных осадок основной кровли. Причем по мере отхода очистного забоя от ближайшего от него очередного куста дегазационных скважин фиксируемый с помощью замеров всплеск концентрации и дебита метановоздушной смеси в дегазационных скважинах происходит лишь в период проявления первичной или смежной с этим кустом вторичной осадки основной кровли. Последующие за первичной вторичные осадки основной кровли оказывают все меньшее влияние на формирование параметров дегазации упомянутого куста, так как начинает проявляться не только фактор увеличения длины поддерживаемой части конвейерной выработки за очистным забоем, но и фактор влияния нарушенности ее первоначального состояния вследствие возникновения мест либо частичных, либо полных завалов ее поперечного сечения. Иными словами, в результате неблагоприятного воздействия горного давления на состояние конвейерной выработки снижается скорость утечек воздуха, отводимых по выработанному пространству вблизи как поддерживаемой, так и неподдерживаемой части этой выработки и соответственно концентрация отводимой части потока метановоздушной смеси, оттесняемой в районе влияния поперечных перемычек в направлении расположения верхних слоев разгружаемой зоны подрабатываемых сближенных угольных пластов. Все это приводит к существенной потере качества газодинамических параметров дегазационных скважин в целом и соответственно к снижению возможности влияния их на газовую ситуацию на выемочном участке, сдерживая рост нагрузки на забой по газовому фактору.
Таким образом, несмотря на наличие в известном способе (4) связи между подпором общешахтной депрессии и вакуумом дегазационных скважин вследствие расположения их кустов в зоне влияния поперечных перемычек удаление указанной выше части потока метановоздушной смеси из выработанного пространства носит не стабильный, со временем уменьшающийся по величине характер, а поэтому отсасываемый метан не будет иметь постояную пригодную для дегазацию концентрацию.
В заявляемом способе скважины для дегазации пробурены из подготовительной выработки в зону разгрузки подрабатываемого пласта и технологически скомпонованы с проходными перемычками газодренажной камеры, образуя таким образом связь между подпором оттесненной части потока метановоздушной смеси и вакуумом скважин и соответственно способствуя каптажу метана из выработанного пространства повышенной концентрации независимо от периодичности проявления вторичных осадок основной кровли, чем и обеспечивается интенсификация процесса каптажа метана из зоны разгрузки углепородной толщи и соответственно снижение газообильности выработанного пространства.
Сопоставительный анализ показывает, что удаление оттесненной части потока метанововоздушной смеси из выработанного пространства путем каптирования ее по скважинам дегазации по известному (4) и заявляемому техническим решениям не подтверждает их идентичность, и соответственно не пождтверждается известность влияния рассматриваемого отличительного признака на указанный заявителем технический результат - повышение концентрации метана, каптируемого скважинами для дегазации из зоны разгрузки углепородной толщи, увеличение дебита метана, приходящегося на дегазацию выемочного участка, и обеспечение возможности повышения нагрузки на забой и безопасности очистных работ по газовому фактору.
Признак - «при этом бурение каждой очередной скважины для дегазации осуществляют вне зоны влияния вторичной осадки основной кровли»- указывает на наиболее рациональное место заложения скважины для дегазации относительно ближайшей от этой скважины зоны влияния вторичной осадки основной кровли. Под термином «зона влияния вторичной осадки основной кровли» подразумевается зона воздействия приходящих в сдвижение за очистным забоем пород основной кровли на образующуюся полость скважины для дегазации, которая может оказаться непосредственно в зоне сдвижения пород или же, напротив, вне влияния этой зоны. Как показывает практика, заложение устья скважины и ее последующее бурение из поддерживаемой за очистным забоем выработки на расстоянии от забоя, равном не менее 2,0-2,5 шагов обрушения труднообрушаемой основной кровли, не сказывается отрицательно на технологии бурения скважины. При бурении же скважины на более близком расстоянии от забоя (1,0-1,5 шага обрушения основной кровли) вследствие влияния едва начавшегося процесса сдвижения и обрушения пород основной кровли происходит заклинивание или зажим буровой колонны и соответственно ее потеря. Таким образом, бурение скважины для дегазации на более близком, чем это указано в формуле, расстоянии от забоя не представляется возможным.
Признак - «при этом дополнительную воздухопроницаемую проходную перемычку первоначально устанавливают в поддерживаемой конвейерной выработке на месте, в котором ее вертикальная плоскость совпадает с вертикальной плоскостью, проведенной через точку, являющуюся проекцией забоя ближайшей от очистного забоя скважины для дегазации на почву выработанного пространства, и линию, являющуюся перпендикуляром, опущенным из указанной точки на границу между поддерживаемой выработкой и выработанным пространством, а затем по мере подвигания очистного забоя эту перемычку переносят в направлении отработки выемочного столба с целью формирования в зоне разгрузки зоны переноса метана для переноса дополнительно оттесняемой части метановоздушной смеси между каждым новым местом установки этой перемычки и зоной улавливания метана» - регламентирует условия выбора места первоначальной установки дополнительной перемычки в поддерживаемой за очистным забоем выработке на участке между очистным забоем и газодренажной камерой, то есть впереди зоны улавливания метана, примыкающей к газодренажной камере и ближайшей от очистного забоя паре скважин для дегазации. Это способствует возникновению зоны переноса для переноса дополнительно оттесняемой части потока метановоздушной смеси, которая по мере передвижки этой перемычки вслед за подвиганием очистного забоя постепенно увеличивается и заканчивается в следующей сформировавшейся за очистным забоем зоне максимального газовыделения подрабатываемого пласта. Благодаря этому, а также увязке первоначального места установки дополнительной перемычки с забоем скважины, а именно в зоне максимального газовыделения подрабатываемого пласта, не прерывается аэрогазодинамическая связь, способствующая мгновенному переносу оттесняемой части потока метановоздушной смеси высокой концентрации из зоны разгрузки через зону переноса метана от места установки передвигаемой дополнительной перемычки в зону улавливания метана. Это указывает на то, что устройство дополнительной перемычки в поддерживаемой выработке, согласно вышеописанным условиям, эффективно влияет на процесс каптирования метана из выработанного пространства.
При этом зона улавливания метана, примыкающая со стороны выработанного пространства к газодренажной камере и к ближайшей от очистного забоя паре скважин для дегазации, и зона переноса метана из зоны максимального газовыделения на первом этапе (то есть с учетом влияния места первоначальной установки дополнительной перемычки) практически совпадают в зоне разгрузки подрабатываемого пласта, обеспечивая высокое качество параметров дегазации.
В процессе передвижки дополнительной воздухопроницаемой проходной перемычки по мере подвигания очистного забоя, сопровождающегося увеличением протяженности свода обрушаемых пород кровли и соответственно увеличением протяженности зоны разгрузки за очистным забоем, увеличиваются объем и протяженность выработанного пространства. При этом в породах налегающей толщи возникают пластические деформации, что обусловливает отслоение вышерасположенных слоев углепородной толщи. В результате верхняя граница зоны разгрузки перемещается еще выше, вовлекая в общий поток метановоздушной смеси дополнительные, в том числе из застойных зон (полостей расслоения пород), стопроцентные объемные доли метана, создавая таким образом условия для повышения дебита каптируемой метановоздушной смеси скважинами для дегазации за счет возведения дополнительной перемычки.
Признак - «причем одновременно с каптированием оттесненной части потока метановоздушной смеси по мере подвигания очистного забоя непрерывно фиксируют значения величин ее концентрации и дебита с целью контроля за уровнем изменения этих параметров» - необходим для обеспечения контроля за динамикой изменения качества параметров дегазации выемочного участка, по которым судят о степени его газообильности.
Признак - «в дальнейшем, как только уровень концентрации метановоздушной смеси снизится до минимально допустимой, согласно правилам безопасности, величины образуют следующую газодренажную камеру после бурения очередной скважины для дегазации для повторения цикла отсоса метана из зоны максимального газовыделения подрабатываемого пласта» - указывает, что по минимально допустимой величине концентрации метановоздушной смеси судят об окончании цикла отсоса газа метана из выработанного пространства и приступают к выполнению очередного цикла.
Признак (п.2 формулы) - «при сооружении воздухопроницаемых проходных перемычек для образования газодренажной камеры с одновременным формированием зоны улавливания метана в конвейерной выработке впереди очистного забоя дополнительно сооружают, как минимум, две воздухопроницаемые проходные перемычки с образованием вентиляционного шлюза, предназначенного для перераспределения расхода подаваемого к очистному забою воздуха таким образом, что его большая часть поступает к очистному забою по воздухоподающей вентиляционной выработке» - указывает на оптимизацию распределения по примыкающим к очистному забою выработкам количества подаваемого воздуха, большую часть которого направляют по вентиляционной выработке для образования поступающей вентиляционной струи. Это позволяет управлять объемами утечек воздуха, а именно увеличить их объем и соответственно объем дегазируемой с помощью скважин для дегазации метановоздушной смеси с обеспечением наилучших показателей параметров дегазации выемочного участка, а это в целом влияет на увеличение продолжительности работы скважин.
Признак (п.3 формулы) - «фиксацию значений величин концентрации и дебита метановоздушной смеси выполняют с помощью аппаратуры дистанционного контроля метана, размещаемой в поддерживаемой выработке на выходе ближайшей от очистного забоя скважины для дегазации с подключением ее к дегазационной сети шахты» поясняет с помощью каких технических средств осуществляют фиксацию аэрогазодинамических параметров метановоздушной смеси, чтобы получить динамику изменения этих параметров.
Признак (п.4 формулы) - «в качестве упомянутой аппаратуры используют устройство, основанное на измерении концентрации и дебита метана, например аппаратуру контроля эффективности работы газоотсасывающих установок КРУГ» -совместно с вышеуказанным признаком необходим и конкретно указывает на известную из уровня техники аппаратуру для выполнения заявляемого способа управления газовыделением из выработанного пространства.
Таким образом, совокупность существенных признаков, характеризующая сущность заявляемого способа, позволит обеспечить отсос газа метан повышенной концентрации из зоны действия скважин для дегазации за пределы выемочного участка и соответственно повысить нагрузку на очистной забой при снижении влияния сдерживающего фактора газовыделения.
Все перечисленные технические эффекты позволяют повысить эффективность способа управления газовыделением из выработанного пространства очистного забоя.
Из изложенного следует, что существенные признаки заявляемого изобретения находятся в причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом и из анализа уровня техники в данной области не очевидны явным образом для специалиста, что характеризует изобретательский уровень заявляемого технического решения.
Сведений, изложенных в материалах заявки на изобретение, достаточно для практического осуществления изобретения.
Сущность заявляемого способа поясняется чертежами, где: на фиг.1 представлена схема расположения сближенных угольных пластов в свите при отработке одного из них первым (поперечный разрез по простиранию) и характер распределения зон активного газовыделения из этих пластов по мощности углепородного массива; на фиг.2 - схема отработки выемочного столба с размещением в конвейерной выработке газодренажной камеры, состоящей из двух воздухопроницаемых проходных перемычек, и дополнительной проходной перемычки; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.2; на фиг.4 - динамика изменения концентрации метана в зоне активного газовыделения подрабатываемого сближенного угольного пласта; на фиг.5 - динамика изменения концентрации метана в зоне активного газовыделения надрабатываемых сближенных угольных пластов; на фиг.6, а и б - динамика изменения концентрации и дебита метана по описываемому способу согласно инструментальным замерам по скважине, устье которой расположено за проходной перемычкой 21 и за проходной перемычкой 22 соответственно (кривые 1 и 2 соответственно концентрации и дебита метана).
Способ управления газовыделением из выработанного пространства рассмотрен на примере разработки свиты высокогазоносных сближенных угольных пластов, при выполнении которой первоначально осуществляется подготовка выемочного столба 1 путем проведения воздухоподающих вентиляционной 2 и конвейерной 3 подготовительных выработок по пласту 4 (фиг.1, 2). Пласт 4 отрабатывают первым в качестве защитного по отношению к выше и нижерасположенным в свите сближенных высокогазоносных пластов 5, 6, 7 и 8. После подготовки выемочного столба 1 приступают к его отработке очистным забоем 9. Конвейерную выработку 3 поддерживают со стороны выработанного пространства 10 для повторного использования и изолируют от него с помощью установки вслед за подвиганием очистного забоя 9 органного ряда 11 и возведения изолирующей стенки 12 с образованием между ними газодренажной выработки 13. При этом с некоторым отставанием от очистного забоя 9 из поддерживаемой выработки 3 в зонах активного газовыделения 14 и 15 соответственно подрабатываемого 5 и надрабатываемых пластов 6-8 в породы кровли 16 разрабатываемого пласта 4 бурят скважины 17 для дегазации. В период бурения скважин 17 для дегазации их ориентируют в направлении подвигания очистного забоя 9 таким образом, чтобы по окончанию бурения каждой из скважин 17 для дегазации ее забой 18 оказался расположенным в зоне максимального газовыделения 19 зоны разгрузки 20 подрабатываемого пласта 5. Причем после окончания бурения каждой из скважин 17 для дегазации в поддерживаемой выработке 3 в зонах 14 и 15 соответственно подрабатываемого 5 и надрабатываемых пластов 6-8 сооружают соответственно переднюю и заднюю по отношению к очистному забою 9 воздухопроницаемые проходные перемычки 21 и 22 с образованием из них одной пары газодренажной камеры 23. При этом устье 24 каждой из скважин 17 для дегазации располагают позади проектного места возведения (условно не показано) воздухопроницаемых проходных перемычек 21 и 22. Причем на примыкании к газодренажной камере 23 со стороны выработанного пространства 10 в верхних слоях (условно не показаны) формируется зона улавливания метана 25. То есть под зоной улавливания метана 25 понимается часть выработанного пространства 10, обладающая свойствами газосборного коллектора для притока метановоздушной смеси повышенной концентрации. Примыкающая к газодренажной камере 23 со стороны выработанного пространства 10 зона улавливания метана 25 формируется за счет зон влияния (условно не показаны) проходных перемычек 21 и 22 газодренажной камеры 23, а также за счет подпора общешахтной депрессии с помощью вентиляционной струи подсвеживающим воздухом, вследствие чего вентиляционная струя вблизи проходных перемычек 21 и 22 поджимается и часть потока воздуха оттесняется в сторону выработанного пространства 10, поджимая и оттесняя таким образом в направлении расположения верхних слоев разгружаемой углепородной толщи отрабатываемого пласта протекающий по выработанному пространству 10 поток метановоздушной смеси. Поджатие этого потока способствует повышению концентрации метана, в особенности в верхних слоях разгружаемой толщи за счет их перемещения по мощности зоны разгрузки 20 и перераспределения по плотности или концентрации метана в слоях в направлении снизу вверх. Таким образом, в процессе подвигания очистного забоя 9 влияние проходных перемычек 21 и 22, образующих газодренажную камеру 23, обеспечивает постоянно действующий механизм поджатая и оттеснения по мощности зоны разгрузки 20 метановоздушной смеси и формирование зоны улавливания метана 25. Зона улавливания метана 25 начинает проявляться практически сразу после сооружения газодренажной камеры 23, то есть после возведения проходных перемычек 21 и 22 и подключения скважин 17 к дегазационной сети шахты.
В процессе подвигания очистного забоя 9 бурение каждой очередной скважины 17 для дегазации осуществляют вне зоны влияния каждой вторичной осадки (условно не показана) основной кровли 16, периодически происходящей за очистным забоем 9 в зоне разгрузки 20 подрабатываемого пласта 5.
Кроме того, при сооружении воздухопроницаемых проходных пемеремычек 21 и 22, когда происходит формирование зоны улавливания метана 25, целесообразно в конвейерной выработке 3 впереди очистного забоя 9 дополнительно соорудить, как минимум, две воздухопроницаемые проходные перемычки 26 с образованием вентиляционного шлюза 27 для подачи большей части количества воздуха к очистному забою 9. При этом одновременно с отводом из очистного забоя 9 исходящей струи посредством утечек воздуха при прохождении их через выработанное пространство 10 и органный ряд 11 газодренажной выработки 13, а также через полости расслоений и зоны трещиноватости (условно не показаны) пород непосредственной кровли 28 разрабатываемого пласта 4 на контакте (условно не показан) этих пород с изолирующей стенкой 12 за счет общешахтной депрессии создают поток метановоздушной смеси, одна часть которого следует по газодренажной выработке 13, а из нее - в поддерживаемую за очистным забоем 9 выработку 3 и далее в исходящую выемочного участка с подсвежением последней в газодренажной выработке 13 и газодренажной камере 23.
Другими позициями обозначены: зона переноса 29 оттесненной части потока метановоздушной смеси; графики 30 и 31 (фиг.4 и 5), соответствующие протяженности зон активного газовыделения 14 и 15 соответственно подрабатываемого пласта 5 и надрабатываемых пластов 6-8; зоны разгрузки 32, 33 и 34 надрабатываемых пластов 6-8; участок 35, соответствующий протяженности зоны максимального газовыделения 19 подрабатываемого пласта 5; породы почвы 36 разрабатываемого пласта 4; участки 37 и 38, протяженность которых определяется расстоянием между очистным забоем 9 и началом зоны активного газовыделения 15 надрабатываемых пластов 6-8 и между очистным забоем 9 и концом зоны активного газовыделения 15 соответственно; дополнительная проходная перемычка 39; вертикальная плоскость 40 (заштрихована); точка 41, являющаяся проекцией забоя 18 скважины 17 для дегазации на почву 36 пласта 4; линия 42, являющаяся перпендикуляром, опущенным из точки 41 на границу 43; граница 43 между поддерживаемой выработкой 3 и выработанным пространством 10; зона влияния 44 скважины 17 для дегазации.
Способ выполняют следующим образом.
В начальный период отработки выемочного столба 1 определяют состав, мощность и прочность пород непосредственной кровли 28 разрабатываемого пласта 4. Указанные показатели определяют по известным методикам и классификациям ВНИМИ. Затем определяют протяженность зон активного газовыделения 14 и 15 (соответственно график 30 на фиг.4 и график 31 на фиг.5) подрабатываемого пласта 5 и надрабатываемых пластов 6-8 (фиг.1), протяженность зон разгрузки 20 и 32, 33, 34 соответственно пласта 5 и пластов 6-8, а также протяженность зоны максимального газовыделения 19 подрабатываемого пласта 5 (участок 35 на фиг.4).
Протяженность зон 14, 15 и 20, 32-34, 35 определяют на основе замеров дебита метана в скважинах дегазации, пробуренных на подрабатываемый пласт 5 и надрабатываемые пласты 6-8 из поддерживаемой выработки 3 за очистным забоем 9, согласно технологическим схемам дегазации.
Свежий воздух подают к очистному забою 9 по вентиляционной выработке 2, а исходящую струю отводят по поддерживаемой за очистным забоем 9 конвейерной выработке 3, по которой направляют часть воздуха для подсвеживания (разбавления) исходящей струи выемочного участка. Конвейерную выработку 3 изолируют со стороны выработанного пространства 10 вслед за подвиганием очистного забоя 9 с помощью установки деревянного органного ряда 11 и возведения изолирующей стенки 12 (чураковой или золоблоковой) с образованием между ними газодренажной выработки 13.
С отставанием от очистного забоя 9 на 2,0-2,5 шага вторичной осадки основной кровли 16 с помощью бурового станка, например СБГ-2 м, из поддерживаемой выработки 3 в зонах активного газовыделения 14 и 15 соответственно пластов 5, 6-8 периодически бурят скважины 17 для дегазации. Каждую скважину 17 для дегазации ориентируют перед бурением в направлении подвигания очистного забоя 9 таким образом, чтобы по окончанию бурения забой 18 каждой скважины 17 располагался в зоне максимального газовыделения 19 зоны разгрузки 20 подрабатываемого пласта 5, а устье 24 скважины 17 для дегазации - соответственно позади проектного места возведения каждой воздухопроницаемой проходной перемычки 21 и 22 газодренажной камеры 23.
Далее по мере подвигания очистного забоя 9 и после бурения скважин 17 для дегазации в поддерживаемой за очистным забоем 9 выработке 3 в зонах активного газовыделения 14 и 15 соответственно пластов 5 и 6-8 сооружают воздухопроницаемые проходные перемычки 21 и 22 с образованием каждый раз из них одной пары газодренажной камеры 23, относительно перемычек 21 и 22 которой устья 24 скважины 17 для дегазации ориентированы позади последних.
Целесообразно при образовании газодренажной камеры 23 в конвейерной выработке 3 впереди очистного забоя 9 возвести две проходные перемычки 26 для образования вентиляционного шлюза 27, предназначенного для подачи большей части воздуха к очистному забою 9 по вентиляционной выработке 2.
Выбор места возведения проходных перемычек 21 и 22 относительно очистного забоя 9 определяется активным характером газовыделения свиты сближенных высокогазоносных угольных пластов 5, 6, 7, 8 относительно отрабатываемого первым пласта 4. Как видно из графиков 30 и 31 на фиг.4 и 5, согласно результатам инструментальных замеров концентрации метана, полученным при отработке пласта «Четвертый» лавой 1032-ю на шахте «Воркутинская» ОАО «Воркутауголь», непосредственно в выработанном пространстве 10 за изолирующей стенкой 12 постоянно прослеживаются две зоны повышенной концентрации метана или две зоны активного газовыделения 14 и 15. Наличие ближайшей от очистного забоя 9 зоны активного газовыделения 14 протяженностью 55-70 м, согласно графику 30 (фиг.4), обусловлено преимущественно влиянием подработки пласта 5, сопровождающейся образованием зоны повышенного газовыделения 35 и максимальной газоотдачей в пределах указанной зоны сближенного высокогазоносного пласта 5.
Наличие второй зоны активного газовыделения 15, проявляющейся за очистным забоем 9 на участке длиной 55-220 м, согласно графику 31 на фиг.5, обусловлено влиянием зон разгрузки 32, 33 и 34 от горного давления надрабатываемых угольных пластов 6, 7, 8, залегающих в породах почвы 36 разрабатываемого пласта 4. Поэтому в связи с изложенным при сооружении газодренажной камеры 23 ближайшую от очистного забоя 9 проходную перемычку 21 возводят со стороны выработанного пространства 10 на расстоянии, не превышающем протяженности участка 37 между очистным забоем 9 и началом зоны активного газовыделения 15 надрабатываемых пластов 6, 7 и 8, а более удаленную от очистного забоя проходную перемычку 22 - соответственно на расстоянии не более протяженности участка 38 между очистным забоем 9 и окончанием указанной выше зоны 15 (фиг.5).
Проходные перемычки 21 и 22 возводят из шпального бруса в виде рам различной конфигурации, обшитых по площади поперечного сечения поддерживаемой выработки 3 прорезиненной тканью с наличием проемов и зазоров под конвейерный став и рельсовый путь соответственно.
По мере подвигания очистного забоя 9 осуществляют удаление метана из выработанного пространства 10 средствами вентиляции и дегазации. Удаление метана в первом случае осуществляют с помощью потока метановоздушной смеси, создаваемого утечками воздуха, выносимыми из очистного забоя 9 через обрушенные породы выработанного пространства 10 за счет общешахтной депрессии и поступающими затем в процессе их подсвежения по конвейерной выработке 3 в исходящую струю выемочного участка. Исходящая вентиляционная струя выемочного участка свободно протекает через воздухопроницаемые проходные перемычки 21 и 22 газодренажной камеры 23. Другая же часть потока метановоздушной смеси за счет влияния подпора общешахтной депрессии, а также сопротивления проходных перемычек 21 и 22 оттесняется в выработанное пространство 10 и, будучи оттесненной, движется в направлении расположения верхних слоев разгружаемой углепородной толщи зоны разгрузки 20, поступая в зону улавливания метана 25, протяженность и мощность которой перекрывается зонами влияния 44 скважин 17 для дегазации (фиг.2, 3).
При этом на стадии сооружения воздухопроницаемых проходных перемычек 21 и
22 для образования газодренажной камеры 23 впереди передней проходной перемычки 21 между очистным забоем 9 и зоной максимального газовыделения 19 пласта 5 устанавливают дополнительную проходную перемычку 39. Первоначальное место установки проходной перемычки 39 выбирают в поддерживаемой за очистным забоем 9 выработке 3 таким образом, чтобы ее вертикальная плоскость совпадала с вертикальной плоскостью 40, проведенной через точку 41, являющуюся проекцией забоя 18 ближайшей от очистного забоя 9 скважины 17 для дегазации на почву 36 выработанного пространства 10, и линию 42, являющуюся перпендикуляром, опущенным из точки 41 на границу 43 между поддерживаемой выработкой 3 и выработанным пространством 10. Причем первоначальное место установки дополнительной перемычки 39 совпадает с зоной максимального газовыделения 19 разгружающейся углепородной толщи подрабатываемого пласта 5, а также с забоем 18 ближайшей от очистного забоя 9 скважины 17 для дегазации.
Наличие в поддерживаемой выработке 3 дополнительной перемычки 39 способствует формированию зоны переноса метана 29 дополнительно оттесняемой части потока метановоздушной смеси в зону разгрузки 20 пласта 5 на участке между этой перемычкой 39 и зоной улавливания метана 25, причем зона переноса метана 29 начинается от места первоначальной установки дополнительной перемычки 39 и формируется в выработанном пространстве 10 за счет подпора общешахтной депрессии и сопротивления дополнительной проходной перемычки 39, образующей зону влияния (условно не показано). Проявлению указанной зоны влияния дополнительной перемычки 39 способствует ее сопротивление и подпор общешахтной депрессии (фиг.2).
Дополнительная проходная перемычка 39 может состоять из двух частей, передвижку которых могут осуществлять в направлении подвигания очистного забоя 9 методом тандема с тем, чтобы продолжительность процесса передвижки дополнительной перемычки 39 оказывала минимальное негативное влияние на процесс оттеснения и переноса оттесняемой части потока метановоздушной смеси по мощности разгружающейся углепородной толщи через зону переноса 29 выработанного пространства 10 в зону улавливания метана 25. Дополнительную проходную перемычку 39 пантографно-шлюзового типа возводят с возможностью чрезвычайно быстрой (в течение одной-двух минут) в случае необходимости ее передвижки впереди газодренажной камеры 23.
Управление газовыделением из выработанного пространства 10 заключается в следующем.
Одновременно с отводом исходящей струи из очистного забоя 9 в поддерживаемую выработку 3 посредством утечек воздуха, выносимыми из очистного забоя 9, при прохождении их через выработанное пространство 10 и органный ряд 11 газодренажной выработки 13, а также через полости расслоений и зоны трещиноватости (условно не показаны) пород непосредственной кровли 28 разрабатываемого пласта 4 на контакте (условно не показан) с изолирующей стенкой 12 за счет общешахтной депрессии создают поток метановоздушной смеси. Созданный посредством утечек воздуха и дошедший до газодренажной камеры 23 этот поток разделяется на две части. Одна часть потока метановоздушной смеси следует по газодренажной выработке 13, а из нее в поддерживаемую за очистным забоем 9 выработку 3, как исходящая выемочного участка с подсвежением по газодренажной выработке 13 и газодренажной камере 23. Причем исходящая струя выемочного участка в поддерживаемой выработке 3 свободно протекает через воздухопроницаемые проходные перемычки 21 и 22 газодренажной камеры 23.
Другая значительно существенная по концентрации метана часть создаваемого в выработанном пространстве 10 потока метановоздушной смеси, протекающая по выработанному пространству 10 в направлении к газодренажной камере 23 вблизи поддерживаемой за очистным забоем 9 конвейерной выработки 3, и, находясь под влиянием сопротивления проходных перемычек 21 и 22 газодренажной камеры 23 и зон их влияния (условно не показаны), за счет подпора общешахтной депрессии, оттесняется в сторону выработанного пространства 10 в направлении расположения верхних слоев зоны разгрузки 20 разрабатываемого пласта 4. Слои оттесненной части потока метановоздушной смеси с наиболее высоким содержанием метана под влиянием упомянутого подпора общешахтной депрессии перераспределяются по мощности зоны разгрузки 20, всплывая в направлении расположения ее верхних слоев. В результате перераспределения слоев указанной части потока метановоздушной смеси с различной концентрацией по мощности зоны разгрузки 20 происходит формирование зоны улавливания метана 25, из которой производят каптирование оттесненной части потока метановоздушной смеси по скважинам 17 для дегазации. Причем упомянутая зона 25 формируется как по длине выработанного пространства 10 зоны разгрузки 20 (как в прототипе 3), так и в направлении верхних слоев указанной зоны 20, то есть по мощности последней. Этому также способствует такое известное свойство метана, как всплывание его по мере увеличения концентрации отдельных слоев метановоздушной смеси и высоты свода разгружаемой толщи.
Кроме вышеотмеченного свойства метана, перераспределению и удалению из выработанного пространства 10 оттесняемой части потока метановоздушной смеси по мощности зоны разгрузки 20 способствует также и влияние вакуума скважин 17 для дегазации, что придает устойчивый характер оттеснению указанного потока в направлении расположения верхних слоев углепородной толщи и отсосу из них с помощью скважин 17 метановоздушной смеси повышенной концентрации и соответствующего дебита, существенно снижая газообильность выработанного пространства 10 и очистного забоя 9.
Отмеченное выше каптирование метановоздушной смеси из зоны улавливания метана 25 с использованием скважин 17 для дегазации совместно с газодренажной камерой 23 усиливается влиянием дополнительной проходной перемычки 39, которое реализуется в рассматриваемом цикле работ по управлению газовыделением в два этапа.
На первом этапе одновременно с каптированием метановоздушной смеси с использованием скважин 17 достигается каптирование дополнительной части потока метановоздушной смеси высокой концентрации из выработанного пространства 10 за счет влияния оттеснения протекающих через выработанное пространство 10 дополнительного количества утечек воздуха в направлении расположения верхних слоев разгружаемой углепородной толщи подрабатываемого пласта 5, которое обусловлено возведением дополнительной проходной перемычки 39, установленной в поддерживаемой за очистным забоем 9 выработке 3 в створе с указанной выше проекцией 41 забоя 18 скважины 17 для дегазации. При этом зона улавливания метана 25, примыкающая к газодренажной камере 23 со стороны выработанного пространства 10 и к ближайшей от очистного забоя 9 паре скважин 17 для дегазации, и зона переноса метана 29 из зоны максимального газовыделения 19 подрабатываемого пласта 5 практически совмещены в зоне разгрузки 20 этого пласта 5. Следует отметить, что зона переноса метана 29 является по существу зоной влияния дополнительной перемычки 39.
На втором этапе каптирование дополнительной части потока метановоздушной смеси достигается за счет влияния последовательно осуществляемой впереди газодренажной камеры 23 передвижки дополнительной проходной перемычки 39 в направлении отработки выемочного столба 1. При этом после каждой передвижки дополнительной перемычки 39 при обеспечении постоянно действующих подпора и отмеченного выше характера оттеснения дополнительного количества утечек воздуха в направлении расположения верхних слоев разгружаемой углепородной толщи происходит мгновенный перенос оттесняемой дополнительной части потока метановоздушной смеси высокой концентрации из зоны разгрузки 20 или зоны частичной разгрузки (условно не показана, проявляющаяся на участках основной кровли 16 разрабатываемого пласта 4 и расположенная преимущественно в средней части очистного забоя 9), через зону переноса 29 от места установки передвигаемой дополнительной проходной перемычки 39 в зону улавливания метана 25. Это означает, что первый этап каптирования метана в процессе подвигания очистного забоя 9 и передвижки дополнительной перемычки 39 переходит во второй. То есть после каждой упомянутой передвижки дополнительной перемычки 39 следует перенос дополнительно оттесняемой части потока метановоздушной смеси максимальной концентрации метана в зону улавливания 25 за счет указанного выше подпора общешахтной депрессии и оттеснения части утечек воздуха в направлении расположения верхних слоев разгружаемой углепородной толщи, процесс которого начинается за очистным забоем 9 сразу после возведения проходных перемычек 21 и 22 и подключения скважин 17 к дегазационной сети. Причем зона переноса метана 29 дополнительно оттесняемой части потока метановоздушной смеси начинается от первоначальноого места установки дополнительной перемычки 39, а в дальнейшем после каждой ее передвижки вслед за подвиганием очистного забоя 9 ее протяженность увеличивается на величину передвижки и заканчивается в следующей сформировавшейся за очистным забоем 9 зоне максимального газовыделения 19 подрабатываемого пласта 5, эпицентр проявления которой в этом случае так же, как и при выборе первого места возведения, совпадает с последним местом ее установки.
Совокупное влияние подпора общешахтной депрессии и аэродинамического сопротивления дополнительной перемычки 39 на всех этапах ее передвижки обеспечивает дополнительное количество протекающих через выработанное пространство 10 утечек воздуха и соответственно оттеснение этой части потока метановоздушной смеси высокой концентрации в направлении расположения верхних слоев разгружаемой углепородной толщи подрабатываемого пласта 5, заканчивая перенос метановоздушной смеси высокой концентрации из вновь сформировавшейся за очистным забоем 9 зоны максимального газовыделения 19 зоны разгрузки 20 подрабатываемого пласта 5 через всю уже повышенной длины зону переноса метана 29.
Обеспечение выемочного участка дополнительным количеством утечек воздуха, протекающих через выработанное пространство 10, и оттеснение дополнительной части потока метановоздушной смеси в направлении расположения верхних слоев разгружаемой зоны подрабатываемого пласта 5 с последующим переносом этой части потока метановоздушной смеси в зону улавливания метана 25 благоприятно влияет на процесс дегазации и удаление из разгружаемой углепородной толщи метана. В результате отмеченного характера оттеснения и переноса метановоздушной смеси высокой концентрации при изменяющейся длине зоны переноса метана 29 увеличивается не только дебит каптируемой метановоздушной смеси скважинами 17 для дегазации в сочетании с газодренажной камерой 23, но и расстояние между ними по длине поддерживаемой выработки 3.
Кроме того, одновременно с каптированием оттесняемой части потока метановоздушной смеси из выработанного пространства 10 по мере подвигания очистного забоя 9 непрерывно фиксируют значения величин ее концентрации и дебита с целью контроля за уровнем изменения этих параметров. Фиксацию указанных газодинамических параметров метановоздушной смеси осуществляют с помощью любой известной аппаратуры дистанционного контроля метана, например аппаратуры КРУГ (см. источник 5), которую размещают в поддерживаемой выработке 3 на выходе ближайшей от очистного забоя 9 скважины 17 с подключением ее к дегазационной сети шахты.
В дальнейшем вслед за подвиганием очистного забоя 9, как только уровень концентрации метановоздушной смеси снизится до минимально допустимой, согласно правилам безопасности, величины повторяют цикл управления газовыделением из выработанного пространства 10. Для чего бурят очередную скважину 17, а проходную перемычку 22, являющуюся задней перемычкой газодренажной камеры 23 относительно очистного забоя 9, переносят с опережением передней проходной перемычки 21 на расстояние, не превышающее длину зоны активного газовыделения 14 подрабатываемого пласта 5, с возможностью образования таким образом следующей или очередной газодренажной камеры 23 с тем, чтобы вновь образовался поток метановоздушной смеси и соответственно мгновенный скачок концентрации и дебита в момент переноса оттесняемой части этого потока с последующим отсосом метана из зоны максимального газовыделения 19 подрабатываемого пласта 5. При этом дополнительную перемычку 39 устанавливают так, как это было описано на начало реализации описываемого способа.
Совокупность факторов, а именно наличие общешахтной депрессии и зоны улавливания метана 25, распространенной в направлении расположения верхних слоев зоны разгрузки 20 подрабатываемого пласта 5, а также влияние средств дегазации обуславливает увеличение объема дегазируемой метановоздушной смеси с обеспечением высококачественных газодинамических параметров дегазации, то есть величин концентрации и дебита метановоздушной смеси, каптируемой по скважинам 17 для дегазации из верхних слоев выработанного пространства 10.
При этом представляется возможным для обеспечения технологической увязки между собой процесса вентиляции (газодренажной камеры 23 совместно с зоной улавливания метана 25 и дополнительной перемычкой 39) и процесса дегазации (скважины 17 для дегазации) осуществлять непрерывное измерение концентрации и дебита метановоздушной смеси с тем, чтобы по мере накопления информации о текущих параметрах дегазации в конкретных горно-геологических условиях при заданных линейных и угловых параметрах скважин 17 для дегазации, согласно схеме дегазации и вентиляции относительно очистного забоя 9, иметь возможность вносить коррективы в эту схему, изменяя ее параметры, в том числе и расстояние между скважинами 17 для дегазации.
Ниже приведен пример реализации описываемого способа на экспериментальном участке при отработке пласта «Четвертый» лавой 1032-ю на шахте «Воркутинская» ОАО «Воркутауголь».
Так, из графиков на фиг.6 (а, б) согласно результатам инструментальных замеров концентрации и дебита метана, полученным по каждой из скважин 17 для дегазации, видно, что характер изменения концентрации (кривая 1) и дебита (кривая 2) метана по скважинам 17, расположенным соответственно за проходными перемычками 21 и 22, протекает неодинаково, что связано с наличием и влиянием дополнительной проходной перемычки 39.
Так, для скважины 17, расположенной за проходной перемычкой 21, то есть за ближайшей относительно очистного забоя 9, изменение концентрации и дебита метана происходит в три этапа (фиг.6а).
На первом этапе с момента подключения скважины 17 к дегазационной сети и начала замеров в течение трех-четырех недель дебит метана снижается на 14%, однако концентрация метана в метановоздушной смеси составляет 100%. На втором этапе в течение следующих четырех недель концентрация и дебит метана снижается соответственно на 40 и 58% относительно их первоначального уровня. Третий этап продолжительностью до четырех недель для указанной скважины 17 характеризуется практически стабилизацией вышеуказанных показателей дегазации, при этом положительное влияние перемещаемой дополнительной перемычки 39 сохраняется, поскольку величины параметров дегазации на этом этапе остаются на достаточно высоком уровне (концентрация метана - не ниже 40%, а дебита метана - на уровне 6-5 м/мин).
Это обстоятельство указывает на то, что скважина 17 имеет еще некоторый резерв относительно критической величины, то есть резерв 30-процентного уровня концентрации метана, при достижении которого или ниже него скважину 17 заглушают.
Следует отметить, что протяженность зоны переноса метана 29 между дополнительной проходной перемычкой 39 и проходной перемычкой 21 в процессе подвигания очистного забоя 9 изменяется, то есть увеличивается в результате поинтервального переноса дополнительной перемычки 39 вслед за подвиганием очистного забоя 9. Соответственно возрастает и протяженность зоны влияния дополнительной проходной перемычки 39 на зону улавливания метана 25. Первоначально протяженность зоны переноса метана 29 и соответственно зона влияния дополнительной проходной перемычки 39 впереди газодренажной камеры 23 составляет согласно графическому построению (условно не приведенному и не показанному) 25-30 м, поскольку каждая скважина 17 для дегазации ориентирована под углом разворота 20-25° относительно оси конвейерного штрека, а также под определенным углом подъема и направлена в строну подвигания очистного забоя 9. В силу этого обстоятельства забой 18 скважины 17 оказывается смещенным относительно проходной перемычки 21 на указанное выше расстояние (фиг.2).
На заключительной стадии цикла перемещения дополнительной проходной перемычки 39, при которой протяженность зоны ее влияния исчерпывается (в 100-110 м впереди газодренажной камеры 23), о чем начинает свидетельствовать снижение концентрации и дебита метана в скважинах 17 (условно не показано), возникает необходимость в бурении скважин 17 для дегазации в районе очередного проектного места расположения проходной перемычки 21 согласно технологии заявляемого способа.
Для скважины 17, расположенной за проходной перемычкой 22, изменение параметров дегазации протекает в два этапа (фиг.6б). На первом этапе продолжительностью три-четыре недели прослеживается снижение концентрации и дебита метана соответственно на 8-10% и 20-23% относительно первоначальной их величины. Последующий этап продолжительностью до шести-семи недель характеризуется также снижением показателей дегазации. Однако и в этом случае концентрация метана остается на уровне 50-55% при сохраняющемся дебите на уровне 5-4 м /мин, что указывает на продолжающееся влияние дополнительной проходной перемычки 39.
Таким образом, использование проходных перемычек 21 и 22 совместно со скважинами 17 для дегазации и перемещаемой во времени и пространстве дополнительной проходной перемычкой 39 на участке активного газовыделения углепородной толщи за очистным забоем 9 обеспечивает проявление повышенной величины параметров дегазации, то есть концентрации и дебита метана, что связано с наличием дополнительного подпора за счет общешахтной депрессии от дополнительной перемычки 39 на участке между газодренажной камерой 23 и перемычкой 39. Наличие вентиляционно-дегазационной системы, то есть газодренажной камеры 23 и скважин 17 для дегазации позволяет не только прогнозировать выходные параметры скважин 17, то есть концентрацию и дебит метана, но и управлять процессом дегазации, изменяя при этом параметры скважин, например расстояние между скважинами, длину и диаметр скважин.
После отработки выемочного столба 1, подготовленного по пласту 4, отрабатывают смежные сближенные угольные пласты 5, 6, 7 и 8 с помощью известных способов разработки, а газ метан отсасывают из выработанного пространства 10 очистных забоев этих угольных пластов с применением традиционных технологий дегазации угольных пластов подземным способом, поскольку в результате газоотдачи предварительно подработанного пласта 5 и надработанных 6, 7 и 8 сближенных угольных пластов их природная газоносность значительно уменьшается, а остаточная газоносность не осложняет ведение очистных работ по газовому фактору.
Таким образом, использование заявляемого способа за счет отсоса метана из зоны максимального газовыделения подрабатываемого пласта средствами дегазации позволит снизить газообильность выемочных участков и за счет этого повысить нагрузку на очистной забой и безопасность ведения очистных работ по газовому фактору.
Источники информации
1. Мясников А.А., Рябченко А.С., Садчиков В.А. Управление газовыделением при разработке пластов. - М.: Недра, 1987, с.38.
2. Методические рекомендации о порядке дегазации угольных шахт. Выпуск 14. РД - 15 - 09 - 2006. - М.: ОАО НТЦ «Промышленная безопасность», 2007, с.3, 10, 11, 98-103, рис.2.
3. Патент РФ №2100611, кл. Е21F 1/18, 7/00, 1995 г. (прототип).
4. Патент РФ №228230, кл. Е21С 41/18, Е21F 7/00, 2005 г.
5. Аппаратура контроля эффективности работы газоотсасывающих установок КРУГ. Руководство по эксплуатации. РЭ 4217 - 100 - 44645436 - 03. Екатеринбург, 2004 г., с.3-19.