Опыт газоуправления с помощью изолированного отвода метана из выработанного пространства выемочных участков на шахтах Воркуты

УДК 622.411

© В.Н. Бобровников, В.А. Зуев, С.В. Кульчицкий, 2009

В.Н. Бобровников, В.А. Зуев, С.В. Кульчицкий

ОПЫТ ГАЗОУПРАВЛЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ИЗОЛИРОВАННОГО ОТВОДА МЕТАНА ИЗ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ НА ШАХТАХ ВОРКУТЫ

Посвящена решению проблемы развития и совершенствования методов и средств изолированного отвода метана из выработанного пространства выемочных участков. Изолированный отвод метана наряду со средствами вентиляции и дегазации позволяет обеспечить безопасные по газовому фактору условия ведения горных работ. Поэтому тема статьи актуальна. Основана на большом объеме шахтных наблюдений, проведенных на выемочных участках шахт Воркуты, что способствует большей объективности и достоверности полученных результатов. Научный анализ и обобщение опытных данных позволили выявить рациональные параметры схем изолированного отвода метана из выработанного пространства за пределы выемочного участка. Практическое значение работы состоит в том, что установленные наиболее рациональные схемы и параметры изолированного отвода метана совместно со схемами и параметрами вентиляции и дегазации позволяют обеспечить высокий уровень безопасности ведения горных работ по газовому фактору. Разработанные рекомендации могут быть использованы при подготовке проектов (разделов проектов) по вентиляции выемочных участков шахт Воркуты. Ключевые слова: отвод метана, метановоздушная смесь, газоотсасывающее оборудование, шахтные замеры, общешахтная вентиляционная сеть.

¥Ж зложен опыт применения различных схем изолирован--Ж-Я. ного отвода метана из выработанного пространства за пределы выемочного участка. Выполнена оценка эффективности этих схем, представлены результаты шахтных исследований.

Одним из технических решений по исключению влияния потока метановоздушной смеси, протекающего по выработанному пространству, является изолированный отвод метановоздушной смеси из выработанного пространства по частично (полностью) поддерживаемым или неподдерживаемым выработкам. Метановоздушную смесь отводят из выработанного пространства через перемычку, в которой оборудуют регулируемое окно, а в качестве тяги используют общешахтную депрессию, создаваемую вентилятором главного проветривания. По другому варианту, комбинированному, метановоздушную смесь отводят посредством комплекса газоотсасывающего оборудования, состоящего из жесткого трубопро-

вода, один конец которого пропускают за перемычку, а другой соединяют с газоотсасывающим вентилятором, например, ВМЦГ-7, создающим депрессию до 700 мм вод. ст. В обоих вариантах отводимая метановоздушная смесь смешивается с подсвежающей струей воздуха за пределами выемочного участка.

На рисунке представлена схема отвода потока метановоздушной смеси из выработанного пространства в условиях бесцелико-вой подготовки и отработки выемочного столба 522ю-бис пласта Четвертого шахты "Воркутинская". Часть потока метановоздушной смеси, протекающего по выработанному пространству, и создаваемого за счет общешахтной депрессии, направляли по дренажной выработке, которую образовывали вслед за подвиганием лавы на границе с выработанным пространством путем возведения деревянного органного ряда стоек и изолирующей чураковой стенки с обмазкой ее глиной, а другую, более существенную, часть потока метановоздушной смеси отводили через выработанное пространство по вентиляционной скважине, соединенной с помощью газоотводящего трубопровода с вентилятором ВМЦГ-7, установленном на подсвежающей струе выработки пласта Тройного. Первую часть потока метановоздушной смеси выпускали при этом в поддерживаемую за лавой выработку через окна смесительной камеры, состоящей из передней и задней частей, располагаемой на участке разгрузки пластов-спутников на расстоянии до 200250 м за лавой и периодически переносимой по мере подвигания лавы, а вторую часть - на вентиляционный уклон пласта Четвертого с возможностью ее подсвежения в этом уклоне.

Согласно результатам шахтных замеров, отвод метановоздушной смеси из выработанного пространства выполняли с помощью ВМЦГ-7 с января по ноябрь 1994 г. В период подвигания лавы 522ю-бис нагрузка на забой достигала 1400 т/сут, а концентрация метана в трубопроводе у вентилятора ВМЦГ-7 изменялась от 0,9 до 1,6%. Дебит отводимого из выработанного пространства метана за указанный период изменялся от 4,5 до 9,0 м3/мин. Слоевые и местные скопления метана в поддерживаемой за лавой выработке на участке длиной до 250 м за счет применения указанных средств вентиляции были исключены.

Вентилятор ВМЦГ-7 был остановлен после отхода лавы 522ю-бис от монтажной камеры на 900 м. Остановка вентилятора была обусловлена снижением концентрации метана в отводимой смеси

до 0,6% в связи с влиянием слеживаемости обрушенных пород кровли.

При отработке в этом же блоке шахты "Воркутинская" расположенных ниже выемочных столбов 622ю и 722ю пласта Четвертого, с применением идентичного с указанным выше способа управления газовыделением из выработанного пространства, нагрузка на забой достигла 1470 и 1750 т/сут. Благодаря поддержанию в выработанном пространстве между смежными столбами 522ю и 622ю вентиляционного штрека усиленной охраной крепью, в качестве дополнительного метаноотводящего канала, интенсивность изолированного отвода метановоздушной смеси повысилась до 10,0-12,5 м3/мин. Длина участка изолированного отвода метановоздушной смеси из выработанного пространства увеличилась до 1150 - 1300 м.

В 1997 г. на шахте "Комсомольская" также при бесцеликовой подготовке при отработке пласта Четвертого лавой 312с прошел промышленную апробацию сходный способ изолированного отвода метана из выработанного пространства. Отличие его от изложенного выше способа состояло в том, что отвод метановоздушной смеси осуществлялся с помощью общешахтной депрессии при наличии газодренажной выработки и смесительной камеры, установленной в поддерживаемой за лавой выработке на расстоянии не более 400 м. Изолирующие стенки газодренажной выработки, служащей аэрогазодинамическим каналом на границе с выработанным пространством, возводили вслед за подвига-нием лавы из золоблоков, имеющих размеры 1,0х0,7х0,4 м. Расстояние между золоблочными стенками составляло 0,9-1,0 м. Слоевых скоплений метана на участке разгрузки пластов-спутников за лавой в поддерживаемой выработке, как правило, не возникало. По газодренажной выработке протекало 60-70 м3/мин метановоздушной смеси, концентрация метана в которой составляла 4,8-5,0%. Дебит метана, отводимого из выработанного пространства через смесительную камеру, не превышал 3,5 м3/мин.

Анализ результатов шахтных наблюдений по изолированному отводу метановоздушной смеси из выработанного пространства пласта Четвертого с применением вентилятора ВМЦГ -7 позволяет констатировать, что расход метана, отсасываемого из выработанного пространства, достигал 60-70% от общего его

дебита, приходящегося на вентиляцию выемочного участка. Причем благодаря наличию газодренажной выработки и смесительной камеры, находившихся в зоне разгрузки нижних пластов-спутников каждой экспериментальной лавы, из их выработанного пространства в поддерживаемую выработку выпускали не более 30-50 % метана, приходящегося на вентиляцию. Большую же часть расхода метана (до 50-70 %) удаляли из выработанного пространства за пределы выемочного участка с помощью газоотсасывающего оборудования с возможностью подсве-жения метановоздушной смеси в вентиляционном уклоне (фланговой сбойке). Ликвидация слоевых скоплений и удаление из выработанного пространства большей части объема метана, приходящегося на вентиляцию, за пределы выемочного участка, достигались оттеснением метановоздушной смеси высокой концентрации от поддерживаемой выработки в глубину выработанного пространства за счет влияния комплекса взаимодействующих средств вентиляции и газоотсасывающего оборудования. Вместе с тем, разбавленная до безопасной концентрации метановоздушная смесь при применении всех указанных выше способов ее частичного изолированного отвода с выемочного участка поступала в общешахтную вентиляционную сеть.

Согласно шахтным данным дебит метана на выемочных участках, приходящийся на вентиляцию, для лав пласта Четвертого изменяется от 10 до 30 м3/мин, а пласта Тройного - от 8 до 20 м3/мин. Максимальное количество отводимой из выработанного пространства метановоздушной смеси с последующим разбавлением ее в смесительной камере при отработке пластов Четвертого, Тройного и Мощного составляло 440-540, 250-350 и 280-480 м3/мин, а дебит метана - соответственно, до 9-10, 5-7 и 6-9 м3/мин. Схема проветривания выемочных участков при отработке пластов Четвертого, Тройного и Мощного - прямоточная с подсвежением или комбинированная.

При комбинированной схеме исходящая из лавы струя воздуха выдается на массив угля по возвратноточной схеме на переднюю вентиляционную сбойку, на сопряжении с которой подсвежается струей воздуха. Для исключения образования опасных концентраций метана на сопряжении лавы с конвейерной выработкой реализуется изолированный отвод метановоздушной смеси из выработанного пространства. Утечки воздуха из лавы за счет общешахт-

ной депрессии отводятся через выработанное пространство по прямоточной схеме в смесительную камеру, в которой разбавляются до безопасной концентрации.

Сходную схему проветривания применяют на шахте "Ворга-шорская" при отработке пласта Мощного. Метановоздушную смесь, отводимую по выработанному пространству за счет общешахтной депрессии, выпускают в вентиляционную выработку пласта Мощного через калиброванное окно изолирующей перемычки, которую возводят в каждой смежной отстающей вентиляционной сбойке, а смесительную камеру сооружают в вентиляционной выработке на сопряжении с этой сбойкой. Расстояние между сбойками составляет 200 м. В период работы лавы 233ю в 2005 г. дебит метана, приходящийся на дегазацию и вентиляцию выемочного участка, с учетом нагрузки на забой 7000 т/сут составлял, соответственно, 10,0 и 4,0 м3/мин. Эффективность дегазации - 71%. Дебит метана, отводимого через выработанное пространство в смесительную камеру, составил в среднем 2 м3/мин, т.е. 50 % от величины, приходящейся на вентиляцию. Количество воздуха, подаваемого на выемочный участок, не превышало 2200 м3/мин.

Возвращаясь к анализируемым показателям действующих лав шахт "Северная", "Воркутинская", "Комсомольская" и "Заполярная" ОАО "Воркутауголь" , следует указать на то, что существующая в настоящее время вентиляционная сеть выработок на указанных шахтах обеспечивает подачу на выемочные участки в большинстве случаев не более 2500-3000 м3/мин воздуха.

С учетом поставленной в ОАО "Воркутауголь" на ближайшую перспективу задачи по значительному увеличению добычи угля с пластов Пятого, Четвертого, Тройного и Мощного - соответственно, до 3, 3-4, 8-15 и 10-20 тыс.т/сут, газовыделение из углепородной толщи на выемочных участках, если исходить из расчетной методики по лавам-аналогам, увеличится в 2-3 раза и более. На шахте "Северная" оно достигнет на пластах Пятом и Четвертом, соответственно, 140 и 170-180 м3/мин, на шахтах "Воркутинская", "Комсомольская", "Заполярная" при отработке пласта Четвертого -120-160 м3/мин. Дебит метана выемочного участка, приходящийся на вентиляцию, по пласту Четвертому на шахтах ОАО "Воркутауголь" достигнет 60-65 м3/мин, по пласту Пятому на шахте "Северная" - 40-45 м3/мин.

Расчеты показывают, что в условиях, например, шахты "Заполярная" абсолютная газообильность выемочного участка при нагрузке на забой А=4000 т/сут по пласту Четвертому (с учетом эффективности дегазации 70 %) составит ! = q •А • кв =50-4000-0,3 = 417 м3/мин,

учв. 1440 1440 ’

где q - относительная газообильность выемочного участка, м3/т; Кв

- коэффициент, учитывающий объем метана, поступающего в вентиляционную сеть участка.

Это означает, что с учетом коэффициента неравномерности га-зовыделения для обеспечения указанной нагрузки на выемочный участок необходимо подать около 4500 м3/мин воздуха. Применение подземного газоотсасывающего вентилятора типа ВМЦГ-7 позволит уменьшить газообильность выемочного участка за счет изолированного отвода значительного количества метана 1ВМцГ за пределы выемочного участка

т Qвмцг • Свмцг 560 • 3,0 3

!вмттг =---- ------ =-----= 16,8 м /мин,

вмцг 100 100

где Qвмцг - производительность газоотсасывающего вентилятора

ВМЦГ-7 в процессе отработки пласта Четвертого, м3/мин; Свмцг -

концентрация метана во всасывающем трубопроводе вентилятора

ВМЦГ, %.

Согласно расчетам, использование газоотсасывающего вентилятора типа ВМЦГ позволяет более, чем на 30-35 % снизить долю метана, приходящуюся на вентиляцию выемочного участка при изолированном отводе метановоздушной смеси.

Альтернативой применению газоотсасывающих вентиляторов является изолированный отвод, как было сказано выше, метановоздушной смеси с помощью общешахтной депрессии - через смесительные камеры.

Схема отвода потока метановоздушной смеси из выработанного пространства лавы 522 ю-бис пласта Четвертого шахты «Воркутинская»

Однако общим недостатком всех схем с изолированным отводом метановоздушной смеси из выработанного пространства является ограниченная длина участка отвода, не превышающего обычно в условиях шахтопластов Воркутского месторождения 600-700 м из-за влияния слеживаемости обрушенных пород кровли, а также необходимость разбавления метановоздушной смеси повышенной концентрации, поступающей из камеры газоотсасывающего вентилятора в вентиляционную сеть шахты.

С учетом изложенного, применительно к системе разработки высокогазоносных угольных пластов длинными столбами и прямоточной схеме проветривания выемочных участков с отводом исходящей вентиляционной струи участка по дренажной выработке без подсвежения за пределы выемочного участка - на вентиляционную смежную выработку, целесообразно сформулировать требования к этой схеме, состоящие в использовании свежей струи для изолированного отвода метана по неподдерживаемой (частично поддерживаемой) выработке и разбавления вредностей в поддерживаемом штреке с тем, чтобы обеспечить условия для управления утечками метановоздушной смеси из выработанного пространства.

Bobrovnikov V.N., Zuev V.A., Kulchitsky S. V.

GAS MANAGEMENT EXPERIENCE WITH THE HELP OF METHANE ISOLATED DRAW ASIDE FROM THE WASTE AREA EXCAVATION SECTIONS OF VORKUTA MINES

The circuits of separate methane removal from the gob outside the working section are developed. The circuits allow to mine coal gas safely.

Key words: methane draw aside, aeromethane mix, gas-suction equipment, mine measurement, general mine ventilation net.

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

Бобровников В.Н. - доктор технических наук,

Зуев В.А. - кандидат технических наук,

филиал СПТГИ (ТУ) «Воркутинский горный институт»,

fspggi@vorkuta. сот

Кульчицкий С.В. - инженер, Печорский научно-технический центр, рПх(й^огки1а. сот