Способ снижения газовыделения и газопроницаемости в угольной шахте
METHOD FOR REDUCING GAS EMISSION AND GAS PERMEABILITY IN COAL MINE

Настоящее изобретение относится к горной промышленности, к способу снижения газовыделения вмещающих пород в горную выработку, снижению газопроницаемости горных пород и угля, снижения газопроницаемости конструкций вентиляционных сооружений.
При проведении горной выработки происходит газовыделение (метановыделение) из обнаженного пласта угля и отбитого угля. Газовыделение из обнаженного пласта происходит через поры и трещины как в самом угле, так и в прилегающих горных породах. Выделение газа происходит также из шпуров, пробуренных по углю для установки анкеров конструкции крепления бортов и кровли выработки. Газовыделение (метановыделение) зависит от природной метаноностности пластов угля и характеризуется величиной количество (объем) метана, содержащегося в массовой или объемной единице полезного ископаемого и горной породы в свободном и сорбированном состоянии, м3/т с.б.м. (сухой беззольной массы); м3/т; м3/м3. Интенсивность газовыделения это количество (объем) газа, выделившегося из единицы объема, веса, поверхности, длины в единицу времени, м3/(м3⋅мин.); м3/(т⋅мин.); м3/(м2⋅мин.); м3/(м⋅мин.); м3/(м2⋅сут.); м3/(м⋅сут.) (п.1 Приложения №1 к «Инструкции по дегазации угольных шахт», утвержденной приказом Ростехнадзора N 679 01.12.2011).
Согласно требованиям приложения №4 к «Инструкции по дегазации угольных шахт», утвержденной приказом Ростехнадзора N 679 01.12.2011: «Дегазация угольного массива вблизи проводимой выработки осуществляется с помощью барьерных или забойных и барьерных скважин. Барьерные скважины бурятся из камер под углом 3-5° к оси выработки. Длина скважин до 100-150 м. Расстояние между камерами на 15-20 м меньше длины скважин, устья скважин располагаются на расстоянии 2-2,5 м от стенки выработки». Согласно требованиям пункта №136 «Инструкции по дегазации угольных шахт» для снижения подсосов воздуха в подземные скважины применяются герметизирующие покрытия, наносимые на стенки выработки.
При работе угольной шахты необходимо выполнять работы по повышению герметичности изолирующих перемычек и прилегающих поверхностей горных выработок, постоянно контролировать герметичность вентиляционных сооружений и оперативно выполнять их качественный ремонт, при этом материалы для ремонта изолирующих перемычек должны быть негорючими и взрывопожаробезопасными п. 41; п. 42; п. 65; п. 66; п. 67 "Инструкция по изоляции неиспользуемых горных выработок и выработанных пространств в угольных шахтах", утверждена приказом Ростехнадзора от 28.11.2014 N 530.
2
2
2
2
2
2
2
Из существующего уровня техники и технологии известно целое направление в проектировании и производстве негорючих строительных материалов - негорючих неорганических клеев. К этой группе материалов относятся клеи на основе жидкого стекла натриевого или калиевого. Особенностью клеев на основе жидкого стекла является большое количество отвердителей в взаимодействии которых с жидким стеклом происходят химические реакции, в результате которых, по данным из разных источников, происходит коагуляция растворов натриевого жидкого стекла NaO(SiO)n и калиевого жидкого стекла KO(SiO)n (где n - характеризует отношение числа молекул кремнезема к числу молекул щелочи) с образованием коллоидного кремнезема, который затвердевает и связывает наполнитель. В главе 4 книги «Жидкие самотвердеющие смеси» авторов Барсук П.А. Лясс A.M. М.: Машиностроение 1979 год. - 255 с, ил. подробно представлены физико-химические процессы твердения жидких стекольных смесей с различными отвердителями, представлены результаты исследований свойств различных отвердителей. Даны составы смесей для изготовления форм в металлургическом производстве, представлены исследования применения отходов производств для использования в качестве отвердителей жидкого стекла. Одним из самых доступных и изученных, с точки зрения протекающих физико-химических процессов, в этой книге представлен отвердитель жидкого стекла двухкальциевый силикат 2CaO⋅SiO. При применении отвердителя двухкальциевого силиката 2CaO⋅SiO жидкое стекло затвердевает за 30-50 минут. Двухкальциевый силикат является отходом металлургического производства -саморасспыющийся шлак феррохромового производства. Одним из отвердителем жидкого стекла является также СО.
В индустрии строительных материалов для химической промышленности в СССР был разработан материал цемент кислотоупорный кварцевый кремнефтористый по ГОСТ 5050-69. Согласно требованиям ГОСТ 5050-69 цемент кислотоупорный кварцевый
кремнефтористый представляет собой смесь тонкоизмельченного кварцевого песка и кремнефтористого натрия, которая после затворения водным раствором силиката натрия или калия (жидким стеклом) образует кислотостойкий силикатный камень. К негорючим строительным материалам относятся строительные материалы при следующих значениях параметров горючести, определяемых экспериментальным путем: прирост температуры - не более 50 градусов Цельсия, потеря массы образца - не более 50 процентов, продолжительность устойчивого пламенного горения - не более 10 секунд (п. 4, Статья 13, 123 ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности»). Определение строительных материалов на категорию НГ (негорючие) выполняют по ГОСТ 57270-2016 «Материалы строительные. Методы испытания на горючесть». Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение является способ: снижении интенсивности газовыделения (м3/(м2⋅мин.) или м3/(м2⋅сут.)) из обнаженного угля и шпуров для установки анкеров; снижения газопроницаемости через борта выработки в дегазационные барьерные скважины, пробуренные вблизи проводимой выработки со стороны горной выработки; снижение газопроницаемости горной породы для уменьшения дренажа воздуха через целик угля между подающей воздух в шахту выработкой и другой выработкой; снижения газопроницаемости конструкции вентиляционного сооружения.
2
2
2
2
2
2
2
Поставленная задача решена путем напыления на поверхность угля, породы, конструкции вентиляционного сооружения слоя из жидкого негорючего неорганического клея, изготовленного на основе жидкого стекла: натриевого - водный щелочной раствор силиката натрия NaO(SiO)n; калиевого - водный щелочной раствор силиката калия KO(SiO)n; литиевого - водный щелочной раствор силиката лития LiO(SiO)n или их смесей, где где n - характеризует отношение числа молекул кремнезема к числу молекул щелочи, с наполнителями из негорючих горных пород и отвердителями жидкого стекла. Напыление выполняется: с использованием сжатого воздуха; с использованием сжатого воздуха и дополнительной подачей углекислого газа СО.
2
2
6
2
Сущность изобретения. Строительные материалы, приготовленные на основе жидкого стекла обладают адгезией к углю, горным породам и строительным материалам, применяемым в угольной шахте. Жидкое стекло представляет собой водный щелочной раствор силикатов натрия, калия или лития, то есть обладает смачивающей способностью, в результате чего может проникать в микропоры угля, горных пород, строительных материалов за счет смачивания. На приобъектный склад угольной шахты поставляются компоненты для приготовления негорючего клея из жидкого стекла определенного состава в количестве необходимом для обработки поверхности горной выработки и конструкции вентиляционного сооружения определенной площади. Компоненты негорючего клея поставляются в герметичной упаковке: жидкое стекло натриевое, жидкое калиевое стекло или смеси из жидкого натриевого, калиевого и литиевого стекла - в пластиковых ведрах или бочках - массой нетто 30 кг; мелкодисперсный наполнитель для приготовления клея из негорючих горных пород с максимальной крупностью частиц 500 мкм - в пластиковых ведрах или бочках массой нетто 30 кг; компонент отвердитель для жидкого стекла: двухкальциевый силикат 2CaO⋅SiO; портланд цемент; гексафторсиликат натрия NaSiF; или любой другой отвердитель жидкого стекла у которого есть определенный по времени индукционный период образования коллоидного кремнезема в жидком стекле, упакованный в герметичные пластиковые ведра или бочки массой нетто 30 кг. Компоненты для приготовления клея в герметичной упаковке доставляются по горным выработкам шахты к месту производства работ.В месте производства работ компоненты перемешиваются в специальной емкости вручную или при помощи миксера в емкости специального насоса (фиг. 1) до жидкого однородного состояния, затем полученный негорючий неорганический жидкий клей наносят на поверхность горной выработки или конструкции вентиляционного сооружения при помощи распылителя (фиг. 2) с использованием насоса (фиг. 1), или при помощи специального устройства (фиг. 4) способом напылением с использованием сжатого воздуха, или сжатого воздуха с дополнительной подачей СО (фиг. 3, фиг. 13).
Для достижения большей эффективности снижения газовыделения и газопроницаемости, негорючий неорганический клей напыляют несколькими слоями, каждый последующий слой напыляют после затвердевания предыдущего слоя.
Специальное устройство (фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6, фиг. 7, фиг. 8, фиг. 9, фиг. 10, фиг. П, фиг. 12, фиг. 13) изготавливают из металла или пластических масс. Приготовленный жидкий неорганический негорючий клей заливают в бункер 20, под действием собственного веса жидкий клей стекает в коробку 18 с установленными в ней соединительной втулкой 15, соплом 16 и насадкой сопла 17, сжатый воздух поступает по соединительной трубке 25 до клапана регулировки подачи сжатого воздуха 24, при открытии клапана 24 сжатый воздух поступает через соединительную втулку 15 в сопло 16, из сопла сжатый воздух поступает в насадку сопла 17, где сталкивается с жидким негорючим клеем одновременно разбивая его на мелкие капли, эквивалентным диаметром не более 1000 мкм, выталкивает капли клея из насадки сопла на расстояние до 1,5 м, при этом стенки бункера 20 устройства имеют наклон к геометрической оси, проходящей по центру втулки 15, сопла 16 и насадки 17 не менее 30 градусов, для того, чтобы жидкий негорючий клей поступал в коробку 18 под собственным весом при положении устройства, когда геометрическая ось, проходящая по центру втулки 15, сопла 16 и насадки 17 находится под углом 45 градусов к горизонту (см. фиг. 12).
Технический результат. Температура воздуха в выработках угольной шахты поддерживается постоянно и не может быть по требованиям п. 125 Правил Безопасности ниже +2°С. (Приказ Ростехнадзора от 19.11.2013 N550 "Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности "Правила безопасности в угольных шахтах").
2
2
6
Негорючий клей на основе жидкого стекла с наполнителем из негорючих горных пород с максимальной крупностью частиц 500 мкм и отвердителем является негорючим и взрывопажоробезопасным материалом. Приготовление клея выполняется путем смешивания компонентов, - жидкого стекла, наполнителя и отвердителя непосредственно перед нанесением в месте производства работ, в угольной шахте. В результате смешивания клей получается жидкий с четким временем затвердевания: 10-15 минут с отвердителем из портландцемента; 30-50 минут с отвердителем из двухкальциевого силиката 2CaO⋅SiO; 2-3 часа с отвердителем из гексафторсиликата натрия NaSiF. Жидкий клей наносится на поверхности путем напыления с использованием сжатого воздуха в виде капель, эквивалентный диаметр которых зависит от применяемого оборудования для напыления. Капли клея проникают и заполняют за счет адгезионных свойств жидкого стекла, микропоры, поры и трещины в открытой поверхности угля и породы, заполняют шпуры для установки анкеров, трещины и неровности в поверхности конструкции вентиляционного сооружения и затем затвердевают, образуя на поверхности газонепроницаемую, водостойкую, негорючую композитную пленку, прочно сцепленную с поверхностью горных пород и конструкции вентиляционного сооружения (фиг. 14). Эта пленка блокирует выделение газов из пор и трещин в угле и породе, шпуров, пробуренных в угле; поступления газов через поры и трещины в угле, породе, конструкции вентиляционного сооружения. В результате происходящих химических процессов при реакции жидкого стекла с отвердителями поглощается тепло и выделяется вода.
Предлагаемый способ и материал был использован для, герметизации изолирующей перемычки и прилегающих поверхностей горных выработок, профилактического ремонта изолирующей перемычки, снижения интенсивности газовыделения м3/(м2⋅сут.) при проведении горной выработки на угольных предприятиях в Кузбассе.
Пример 1. Под влиянием значительных деформаций вмещающих пород в конструкции изолирующей перемычки образовались трещины. В результате воздух по трещинам в конструкции изолирующей перемычки из эксплуатируемых горных выработок начал поступать в отработанное пространство, приводя к повышению концентрации кислорода в отработанном пространстве. Для исключения потенциальной возможности самонагревания угля в отработанном пространстве за счет поступления кислорода из воздуха в эксплуатируемой выработке, был выполнен ремонт изолирующей перемычки и прилегающих поверхностей горных выработок путем нанесения на поверхности изолирующей перемычки и горных пород герметизирующего слоя из негорючего клея на основе жидкого стекла по составу, указанному в ГОСТ 5050-69 «Цемент Кислотоупорный Кварцевый Кремнефтористый».
Состав №1 для приготовления материала - негорючего неорганического клея для герметизации перемычки по ГОСТ 5050-69.
Компоненты для изготовления клея доставили к месту производства работ в герметичных пластиковых ведрах. Масса нетто компонентов в ведрах - 30 кг. Компоненты смешали в отдельной емкости вручную, согласно указанного состава №1 до однородного жидкого состояния. Поверхность перемычки и прилегающие поверхности горных выработок обработали жидким клеем при помощи устройства (фиг. 4) с использованием сжатого воздуха. Негорючий клей при помощи устройства распылялся на поверхности в виде мелких капель, эквивалентным диаметром не более 1 мм, в результате чего на поверхностях образовалась пленка толщиной 2-3 мм. В течение 3-х часов после нанесение пленка затвердела и стала воздухонепроницаемой и влагоустойчивой. После проведенных работ по нанесению негорючего клея, поступление воздуха через изолирующую перемычку в отработанное пространство из эксплуатируемой выработки прекратилось. Герметичность изолирующей перемычки и прилегающих к изолирующей перемычке поверхностей горных выработок была восстановлена путем применения герметизирующего покрытия - негорючего клея на основе жидкого натриевого стекла.
Пример 2. Под влиянием значительных деформаций вмещающих пород предохранительного целика угля между штреком и отработанной лавой пространством в конструкции изолирующей перемычки, возведенной в сбойке между штреком и отработанным пространством и прилегающих поверхностях горной выработки, образовались трещины. В результате воздух из отработанного пространства по трещинам начал поступать в эксплуатируемые горные выработки. Для исключения дренажа воздуха из отработанного пространства в действующую выработку - снижение газопроницаемости изолирующей перемычки поверхность перемычки и прилегающие поверхности горных выработок обработали со стороны эксплуатируемой выработки герметизирующей композицией «Негорючая крепь», изготовленной по ТУ 5772-004-50576573-2014 на основе калиевого жидкого стекла при помощи насосной установки ПНТ-1.
Состав №2. Герметизирующая композиция «Негорючая крепь».
Компоненты герметизирующей композиции «Негорючая крепь» поставлялись в угольную шахту в герметичной пластиковой упаковке - ведрах с крышкой, массой нетто максимально 30 кг. Непосредственно в месте производства работ компоненты герметизирующей композиции «Негорючая крепь» смешивались до однородного жидкого состояния в смесительном баке насоса ПНТ-1, согласно пропорций по Составу №2. Полученный негорючий клей распылялся на поверхность изолирующей перемычки и горной выработки в виде мелких капель, эквивалентным диаметром менее 1000 мкм, распылителем (фиг. 2) с использованием насоса ПНТ-1. Насос ПНТ-1 работает на сжатом воздухе. В результате чего на поверхностях образовалась пленка толщиной 2-3 мм. В течение 60 минут после нанесение пленка затвердела и стала газонепроницаемой и влагоустойчивой. После проведенных работ по устройству герметизирующего покрытия перемычки и прилегающих поверхностей горных выработок негорючим клеем на основе жидкого стекла - герметизирующей композицией «Негорючая крепь», дренаж воздуха из отработанного пространства через изолирующую перемычку прекратился, газопроницаемость конструкции изолирующей перемычки уменьшилась. Пример 3.
При проведении вентиляционного штрека, с применением дегазации угольного массива вблизи проводимой выработки с помощью барьерных дегазационных скважин после продвижения проходческого забоя произошло превышение ПДК рудничных газов на исходящей струе воздуха из забоя в результате интенсивного выделения газа метана из обнаженного угля. Работы по проведению выработки были немедленно остановлены. Зону интенсивного газовыделения из обнаженного угля в бортах выработки обработали слоем негорючего неорганического клея - герметизирующей композиции «Негорючая крепь» (Состав №2). Обработку проводили за два раза насосом ПНТ-1, первый слой 2-3 мм, второй слой 2 мм. После нанесения второго слоя негорючего неорганического клея, сократился подсос воздуха в барьерные дегазационные скважины со стороны горной выработки - уменьшилась газопроницаемость угля в бортах выработки, интенсивность газовыделения из обнаженного угля и шпуров конструкции анкерного крепления в бортах выработки снизилась. В результате проведенных работ по нанесению герметизирующего покрытия на стенки выработок с применением негорючего неорганического клея концентрация рудничных газов в исходящей струе воздуха из забоя снизилась до уровня разрешенных ПБ концентраций, что позволило продолжить работы по проведению выработки. Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 представлен специальный насос для производства работ по нанесению негорючего клея:
1. Рама насоса;
2. Пневмопривод смесителя, мощностью не менее 1,5 кВт;
3. Емкость для перемешивания компонентов;
4. Передающий вал пневмопривода смесителя;
5. Крыльчатка смесителя;
6. Пневмопривод шнековой пары, мощностью не менее 3кВт;
7. Передающий вал пневмопривода шнековой пары;
8. Шнековая пара, производительностью от 10 литров/минуту;
9. Подающий патрубок;
10. Подающий резиновый армированный рукав;
11. Распылитель.
На фиг. 2 представлен распылитель для распыления негорючего клея на поверхности:
12. Корпус распыляющего устройства;
13. Сопло;
14. Насадка сопла.
2
На фиг. 3 представлен распылитель для распыления негорючего клея на поверхности в котором одновременно с подачей сжатого воздуха осуществляется подача СО.
На фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6, фиг. 7, фиг. 8, фиг. 9, фиг. 10, фиг. 11 представлено устройство "РУДНК" ТУ 28.92.40-005-50576573-2016 для нанесения негорючего клея с использованием сжатого воздуха:
15. Соединительная втулка;
16. Сопло;
17. Насадка сопла;
18. Коробка для крепления соединительной втулки 15. сопла 16. и насадки сопла 17. Сталь толщиной 1,5 мм;
19. Крышка на стержневом шарнире. Сталь толщиной 1 мм;
20. Бункер. Сталь толщиной 1 мм. В верхней части бункера под фиксатором крышки выполнены отверстия д-м 5 мм для сброса избыточного воздуха;
21. Фиксирующая гайка толщиной не менее 5 мм. Шестигранник, диаметр внутреннего круга 42 мм;
22. Ручка боковая. Стальная труба д-м 22 мм, толщина стенки 1,5 мм;
23. Фиксатор крышки;
24. Клапан регулировки подачи сжатого воздуха КП-51;
25. Соединительная трубка.
На фиг. 12 представлено применение устройства для нанесения негорючего клея "РУДНК" ТУ 28.92.40-005-50576573-2016 для обработки горизонтальных поверхностей -кровли выработки:
27. Жидкий негорючий неорганический клей;
26. Распыленный до частиц эквивалентным диаметром 1000 мкм жидкий негорючий неорганический клей.
2
На фиг. 13 представлено устройство «РУДНК" ТУ 28.92.40-005-50576573-2016 для нанесения негорючего клея, в котором одновременно с подачей сжатого воздуха осуществляется подача СО.
На фиг. 14 представлена модель поверхности бетона изолирующей перемычки со сквозными трещинами, обработанной для герметизации способом напыления герметизирующей композицией "Негорючая крепь» (ТУ 5772-004-50576573-2014) с использованием распылителя (Рис. 2) и насоса ПНТ-1, средний эквивалентный диаметр капли при напылении - 1000 мкм:
28. Бетон изолирующей перемычки;
29. Пленка из негорючего клея - герметизирующей композиции "Негорючая крепь" (ТУ 5772-004-50576573-2014);
30. Трещина в бетоне, заполненная негорючим клеем - герметизирующей композицией "Негорючая крепь" (ТУ 5772-004-50576573-2014);
31. Капля негорючего неорганического клея эквивалентного диаметра 1000 мкм.
После затвердевания пленка из герметизирующей композиции "Негорючая крепь" препятствует дренажу газов через трещины в бетоне как со стороны действующей выработки в отработанное пространство, так и из отработанного пространство в действующую выработку.
Литература.
1. «Инструкция по дегазации угольных шахт», утверждена приказом Ростехнадзора от 01.12.2011 N679.
2. "Инструкция по изоляции неиспользуемых горных выработок и выработанных пространств в угольных шахтах», утверждена приказом Ростехнадзора от 28.11.2014 N 530.
3. «Жидкие самотвердеющие смеси» Барсук П.А. Лясс A.M. М.: Машиностроение 1979 год. - 255 с. ил.
4. ГОСТ 5050-69 «Цемент Кислотоупорный Кварцевый Кремнефтористый».
5. 123 ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности».
6. ГОСТ 57270-2016 «Материалы строительные. Методы испытания на горючесть».
7. "Правила безопасности в угольных шахтах", Приказ Ростехнадзора от 19.11.2013 N550 «Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности».