СПОСОБ ДЕГАЗАЦИИ УГЛЕНОСНОЙ ТОЛЩИ
COAL-BEARING STRATA DEGASATION METHOD

Изобретение относится к горному делу, в частности к системам разработки сближенных высокогазоносных угольных пластов (угленосных толщ), и может быть использовано для снижения газообильности выемочных участков, повышения нагрузки на очистной забой и повышения безопасности очистных работ по газовому фактору.
Известен способ разработки свиты сближенных высокогазоносных угольных пластов (патент РФ №2282030, Е21С 41/18, E21F 7/00, опубл. 20.08.2006). Способ разработки свиты сближенных высокогазоносных угольных пластов предусматривает отработку одного из них первым и включающий подготовку выемочных столбов путем проведения и крепления конвейерных и вентиляционных выработок с оставлением угольного целика между конвейерной выработкой отрабатываемого выемочного столба и вентиляционной выработкой подлежащего отработке выемочного столба, проведение вентиляционных сбоек между конвейерной выработкой отрабатываемого выемочного столба и вентиляционной выработкой подлежащего отработке выемочного столба, отработку каждого выемочного столба с одновременной установкой охранной крепи в поддерживаемой за очистным забоем на границе с выработанным пространством части конвейерной выработки и возведением в вентиляционных сбойках со стороны выработанного пространства перемычек и удаление метана из выработанного пространства 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 подсвежаемыми по ней, и разделяемого у ближайшей за очистным забоем вентиляционной сбойки на две части, одна из которых следует по этой сбойке и далее по вентиляционной выработке как исходящая выемочного участка с подсвежением по ней, причем одновременно с удалением метана средствами вентиляции осуществляют его удаление из выработанного пространства средствами дегазации путем каптирования другой части потока метановоздушной смеси, протекающей по выработанному пространству вблизи неподдерживаемой части конвейерной выработки, по дегазационным скважинам, пробуренным в подрабатываемый массив из вентиляционной выработки в сторону выработанного пространства, причем, согласно изобретению, первоначально определяют протяженность зон активного газовыделения подрабатываемых и надрабатываемых сближенных угольных пластов, а затем по мере отработки выемочного столба за очистным забоем в конвейерной выработке в зонах активного газовыделения подрабатываемых и надрабатываемых сближенных угольных пластов сооружают газосборный коллектор путем поочередного возведения двух поперечных перемычек, торцы которых выходят за контур конвейерной выработки, причем каждую из поперечных перемычек возводят в конвейерной выработке со стороны выработанного пространства впереди очередной вентиляционной сбойки после опережения очистным забоем следующей вентиляционной сбойки с одновременным заперемычиванием вентиляционной сбойки, располагаемой между ранее возведенной и смежной с ней ближайшей от очистного забоя перемычками, при этом ближайшую от очистного забоя перемычку газосборного коллектора располагают от него на расстоянии, равном не более протяженности зоны активного газовыделения надрабатываемых сближенных угольных пластов, а другую более удаленную от очистного забоя перемычку - соответственно на расстоянии, равном не более протяженности максимальной зоны активного газовыделения надрабатываемых сближенных угольных пластов, причем по мере подвигания очистного забоя удаление метана из выработанного пространства средствами дегазации происходит в два этапа: вначале часть потока метановоздушной смеси, которая следует по выработанному пространству вблизи неподдерживаемой части конвейерной выработки, оттесняется в зоне влияния каждой из поперечных перемычек газосборного коллектора в направлении расположения верхних слоев разгружаемой зоны подрабатываемых сближенных угольных пластов, за счет чего происходит скачкообразное повышение концентрации и дебита метановоздушной смеси указанной части потока, которую затем каптируют по дегазационным скважинам, причем при бурении этих скважин в подрабатываемый массив из вентиляционной выработки в сторону выработанного пространства их ориентируют таким образом, чтобы каждый куст дегазационных скважин находился в зоне влияния поперечной перемычки газосборного коллектора, в дальнейшем вслед за подвиганием очистного забоя в ходе отработки выемочного столба повторяют цикл работ по сооружению следующего газосборного коллектора при использовании очередной возведенной перемычки, ближайшей от очистного забоя, с тем, чтобы вновь образовался скачок концентрации и дебита метановоздушной смеси с последующим ее каптажем из выработанного пространства с помощью упомянутых дегазационных скважин, при этом после подготовки очередного выемочного столба по одному из свиты сближенных высокогазоносных угольных пластов и отработки его в свите первым в зоне подработки или надработки отрабатывают смежные сближенные угольные пласты с помощью традиционных способов разработки, применяемых в условиях незначительной остаточной природной газоносности угольных пластов.
Недостатком данного способа является относительно низкая эффективность дегазации и высокая стоимость, связанная с большим объемом буровых работ.
Известен способ дегазации угленосной толщи, принятый за прототип (патент РФ №2103516, E21F 7/00, опубл. 1998.01.27). Способ дегазации угленосной толщи включает проходку дренажной выработки в кровле и почве газоносного пласта до начала проведения подготовительных выработок на защищаемом пласте и установку временной крепи в выработке. Дренажную выработку проходят на удалении от защищаемого пласта, не превышающем 8,5-кратную ширину дренажной выработки. На ее почву укладывают перфорированный газопровод, затем обрушают выработку, а проходку подготовительных выработок на защищаемом пласте начинают после снижения газоносности дегазируемого участка до безопасного уровня.
Недостатком данного способа является высокая стоимость, большая длительность и низкая эффективность дегазации.
Техническим результатом способа является снижение стоимости, сокращение длительности и повышение эффективности дегазации угленосной толщи.
Технический результат достигается тем, что в способе дегазации угленосной толщи, включающем проходку дренажной выработки по газоносному пласту-спутнику на удалении от защищаемого пласта до начала проведения подготовительных выработок на защищаемом пласте, согласно изобретению дренажную выработку оборудуют решеткой и автоматической герметизирующей перемычкой и проходят ее в плоскости, параллельной границам выемочного столба в зоне, ограниченной линиями фактических углов разломов и углов сдвижения, направленными со стороны почвы выработок защищаемого пласта, и используют ее в качестве дегазационного трубопровода, проветриваемого обособленно за счет общешахтной депрессии, причем максимальную высоту h между пластом-спутником и защищаемым пластом по вертикали принимают менее 40 m, минимальную мощность пласта спутника принимают более 0,2m, где m - мощность защищаемого пласта.
Способ дегазации угленосной толщи поясняется схемами, где на фиг.1 изображена принципиальная схема построения фактических линий разломов и линий сдвижения для горизонтального угольного пласта, на фиг.2 показана принципиальная схема построения фактических линий разломов и линий сдвижения для пологого пласта, на фиг.3 показан план защищаемого пологого пласта с проекцией на него дегазационной выработки, пройденной по пласту-спутнику (серый цвет), где:
1 - фактические линии разломов, построенные с почвы выработок защищаемого угольного 16 пласта;
2 - линии сдвижения со стороны угольного 16 пласта;
3 - линии сдвижения со стороны выработанного 17 пространства;
4 - газоносные пласты-спутники;
5 - положения газоносных пластов-спутников 4 после их подработки;
6 - дренажная (дегазационная) выработка, пройденная по пласту-спутнику 4, используемая в качестве дегазационного трубопровода;
7 - вентиляционная скважина, соединенная с шахтной дегазационной системой с помощью трубопровода;
8 - решетка со знаком «доступ запрещен»;
9 - границы выемочного столба;
10 - направление движения поступающей струи воздуха;
11 - направление движения исходящей струи воздуха;
12 - направление отвода метановоздушной смеси с концентрацией метана до 25% (нормы приняты для дегазационных трубопроводов);
13 - направление отработки выемочного столба;
14 - направление миграции (дренирования) газа (метана) по зонам трещинообразования и обрушения;
15 - комбайн, работающий в составе механизированного комплекса;
16 - защищаемый угольный пласт;
17 - выработанное пространство;
18 - конвейерный бремсберг;
19 - людской ходок;
20 - вентиляционный бремсберг;
21 - вентиляционный штрек;
22 - конвейерный штрек;
23 - автоматическая герметизирующая перемычка, закрываемая при реверсировании воздушной струи;
24 - вентиляционная сбойка, соединяющая дегазационную 6 выработку с вентиляционным 20 бремсбергом;
m - выемочная мощность защищаемого угольного 16 пласта.
δ - фактические углы разломов;
β - углы сдвижения со стороны угольного 16 пласта;
γ - углы сдвижения со стороны выработанного 17 пространства;
h - высота по вертикали между пластом-спутником 4 и защищаемым угольным 16 пластом.
3
Способ предназначен преимущественно для отработки свит высокогазоносных угольных пластов современными высокопроизводительными механизированными комплексами. Отработка угленосных толщ, как правило, сопровождается большими выделениями взрывчатого и горючего газа метана, которые при добыче угля ставят ограничения по нагрузке на очистной забой, так называемый газовый вентиляционный барьер. В настоящее время вследствие значительной глубины горных работ выделяется все большее количество метана (например, средняя газоносность шахт Донецкого и Карагандинского бассейнов равна соответственно 30 и 90 м/мин). Бороться с такими количествами метана традиционным способом (разбавлением метана воздухом и выносом из шахты вентиляционной струей) во многих случаях оказывается невозможным из-за необходимости подачи в шахту чрезвычайно большого количества воздуха и превышения допустимых скоростей его движения по выработкам согласно требованиям действующих Правил безопасности при разработке угольных месторождений. Увеличение скорости подвигания лав на пластах с высокой газообильностью и расширение области применения комплексов с гидравлическими крепями требуют принятия более эффективных мер по снижению газообильности. Существующие способы предварительной дегазации разрабатываемых пластов скважинами и повышение дегазации выработанного пространства зачастую уже не обеспечивают снижение газообильности до допустимого уровня, так как наибольшее количество газа выделяется в выработанное пространство из пластов-спутников. Количество воздуха, подаваемого в очистной забой, регламентируется Правилами безопасности при разработке угольных месторождений максимально допустимой скоростью движения воздушной струи (как правило, не более 4 м/с). При изолированном отводе мигрирующего (дренирующего) из выработанного пространства метана по дегазационному трубопроводу за счет общешахной депрессии концентрация метана в нем может достигать 25% (см. действующие Правила безопасности при разработке угольных месторождений). Полученный поток воздуха с высокой концентрацией метана (в основном из выработанного 17 пространства) выдают по дренажной 6 выработке на нерабочий вентиляционный горизонт, в котором он может разбавляться до допустимых Правилами безопасности при разработке угольных месторождений норм или выдают вентиляционную скважину 7 для последующей утилизации в шахтной дегазационной системе.
Способ дегазации угленосной толщи осуществляют следующим образом. Перед отработкой выемочного столба 9 защищаемого угольного 16 пласта от почвы его подготовительных выработок в соответствии с правилами, изложенными, например в (А.А.Борисов «Механика горных пород и массивов», М., Недра, 1980 г.), откладывают фактические линии 1 разломов и линии 2 сдвижения, а также линии 3 сдвижения со стороны выработанного 17 пространства. Этим построением получают область, в которой затем проходят через сбойку 24 от вентиляционного бремсберга 20 по газоносному пласту-спутнику 4 дегазационные 6 выработки. Дегазационные выработки 6 соединяют с вентиляционной скважиной 7, подключенной, например, к шахтной дегазационной системе. Затем на входе в сбойку 24 устанавливают решетку 8 со знаком «доступ запрещен» и автоматическую герметизирующую 23 перемычку, закрываемую при реверсировании воздушной струи. По мере отработки защищаемого угольного 16 пласта происходит подработка газоносных пластов-спутников 4, и они занимают положение 5 (штриховая линия), вследствие чего метан, содержащийся в газоносных 4 пластах-спутниках и выработанном 17 пространстве, начинает дренировать и мигрировать по направлениям 14 в дегазационную 6 выработку из-за создания в ней разрежения, вызванного движением воздуха за счет общешахтной депрессии по направлению к вентиляционной 7 скважине. Таким образом, дегазационная 6 выработка может быть использована в качестве дегазационного трубопровода, в котором производится скопление метановоздушной смеси, которую отводят по направлению 12. Максимальная концентрация метана в данной дренажной 6 выработке может составлять до 25%. При большей концентрации метана, фиксируемой автоматически датчиками метана, принимают меры по ее снижению до допустимого уровня известными способами (например, путем подачи в выработку 6 большего количества воздуха). За счет того, что высоту h по вертикали между одним из пригодных для проходки дренажной выработки 6 газоносных 4 пластов-спутников и защищаемым угольным 16 пластом принимают менее 40 m, где m - выемочная мощность защищаемого угольного 16 пласта, происходит наиболее эффективная миграция метана по кратчайшему пути. За счет того, что дегазационную 6 выработку проводят между фактическими углами δ разломов и углами сдвижения β со стороны угольного 16 пласта, а также углами сдвижения γ со стороны выработанного 17 пространства, обеспечивается гарантированное создание каналов миграции и дренирования метана в дренажную 6 выработку. Мощность пригодного для сбора и отвода метана газоносного 4 пласта-спутника принимают более 0,2 m для обеспечения достаточной поверхности дренажа метана.
После проходки дренажных 6 выработок приступают к подготовке выемочного столба к отработке. Защищаемый угольный пласт 16 подготавливают необходимыми выработками, в том числе конвейерным бремсбергом 18, людским ходком 19, вентиляционным бремсбергом 20, вентиляционным штреком 21 и конвейерным штреком 22. Затем проводят разрезную печь, монтируют в ней секции механизированной гидравлической крепи. Отрабатывают комбайном 15 угольный пласт 16 в направлении 13, образуя очистное пространство, по мере отработки которого формируют выработанное пространство 17. Воздух подают по вентиляционному бремсбергу 20, далее по конвейерному штреку 22. Затем воздух проходит по очистному пространству (лаве). Направления движения поступающей 10 струи воздуха и направление движения исходящей 11 струи воздуха показаны на фиг.3. Метан, выделяющийся из выработанного 17 пространства, дренирует по трещинам, образующимся в процессе сдвижения пород в результате подработки в дегазационную (дренажную) 6 выработку, и отводится из нее за счет общешахтной депрессии для последующей утилизации. Это позволяет наиболее эффективно разделять поступающую 10 воздушную струю от метана, выделяющегося в основной массе, из выработанного пространства. При необходимости дренажную 6 выработку закрепляют крепью, не герметизирующей стенки выработки, например штанговой. При необходимости перекрепления дренажной 6 выработки производят необходимые мероприятия для обеспечения безопасности работ в соответствии с действющими правилами безопасности.
Применение данного способа дегазации угленосной толщи обеспечивает следующие преимущества:
- снижение стоимости дегазации;
- снижение длительности дегазации;
- повышение эффективности дегазации;
- снижение притечек метана из выработанного пространства;
- возможность эффективного разделения воздушных потоков и изоляция выработанного пространства;
- повышение нагрузки на выемочный участок по «газовому» фактору;
- повышение безопасности ведения горных работ;
- снижение себестоимости добываемого угля.