CC BY
12
--© ЭЛ. Мещеряков, 2012
УДК 622.4
Э.Д. Мещеряков
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ДЕГАЗАЦИИ СТАРЫХ ВЫРАБОТАННЫХ ПРОСТРАНСТВ РАНЕЕ ОТРАБОТАННЫХ ВЫЕМОЧНЫХ ПОЛЕЙ УГОЛЬНЫХ ШАХТ
Проблема использования шахтного метана в качестве дополнительного энергоносителя в наше время стоит достаточно остро. Надёжная изоляция старых выработанных пространств ранее отработанных выемочных полей является одной из важнейших задач. Предложена конструкция изоляционных перемычек позволяющая повысить эффективность решения этой проблемы.
Ключевые слова: метан, изоляция, старые выработанные пространства, шахта, изоляционная перемычка, герметизация, торкретирование, герметизирующий состав, экономическая целесообразность, дегазация.
Одним из основных источников газовыделения угольных шахт являются старые пространства ранее отработанных выемочных полей (СВП), имеющие в газовом балансе шахты долю, достигающую 50 %. Из-за больших объёмов СВП, плохой изоляции и как следствия больших количеств воздуха, проходящего через них, не удаётся достичь высоких концентраций метана. Из-за низких концентраций метана дегазация СВП практически нигде не производиться, поэтому весь этот метан поступает о выработки и удаляется из шахты воздухом. Это является одной из основных причин того, что при разработке угольных месторождений от 85 до 100 % выделяющегося газа выбрасывается в атмосферу. Надёжная изоляция выработанных пространств — один из важнейших факторов, позволяющих решить данную проблему, снизив газовую нагрузку на вентиляционную систему и повысить уровень безопасности горных работ.
Для примера рассмотрим газовый баланс шахт ОАО «Воркутауголь», где самая высокая в России эффектив-
ность дегазации. Отсутствие метана на балансе предприятия приводит к тому, что дегазация рассматривается не как возможность максимально возможной его добычи, а только как способ снижения газовыделения в горные выработки, обеспечивающий достижение необходимых нагрузок. Несмотря на то, что максимальная эффективность дегазации выемочных участков ОАО «Воркутауголь» достигает 70—80 %, эффективность дегазации шахт в целом не превышает 40 % и только 30 % этого газа используется для различных нужд, что составляет приблизительно 12 % от абсолютного газовыделения шахт. Остальной метан в количестве 88 % выбрасывается в атмосферу.
Из данных, приведенных в табл. 1 видно, что дебит метана старых выработанных пространств ранее отработанных выемочных полей (СВП) весьма значителен, а эффективность их дегазации чрезвычайно мала. В этих условиях высокий процент извлекаемого метана из шахты определяется лишь высокоэффективной дегазацией выемочных участков.
Таблица 1
Шахты Газовыделение, м3/мин Эффективность дегазации, % (м3/мин) Газовыделение СВП, м3/мин Доля СВП в газовом балансе шахты, % Эффективность дегазации СВП, % ( м3/мин)
Центральная 122 32 (39) 61 50 7 (3.5)
Комсомоль- 163 37 (60) 60 37 0 (0)
ская
Северная 178 36 (64) 63 35 2 (0.7)
Заполярная 142 34 (48) 19 13 0 (0)
Южная 98 40 (39) 49 50 0 (0)
Аяч — Яга 82 31 (25) 32 39 5 (2)
Столь высокий удельный вес газовыделения СВП объясняется несколькими причинами:
• использование бесцеликовой системы отработки выемочных полей не позволяет в течение многих лет, до окончания отработки панели, блока или крыла, изолировать старые выработанные пространства, занимающие несколько квадратных километров, от выработанных пространств действующих выемочных участков;
• технология и материалы, предусмотренные отечественными нормативными документами для сооружения изолирующих перемычек, не позволяют в подавляющем большинстве случаев обеспечить необходимое качество перемычек;
• нормативные документы, регламентирующие вопросы вентиляции и дегазации, не уделяют проблеме снижения газовыделения из старых выработанных полей достаточного внимания.
Сооружение изоляционных перемычек с высоким сопротивлением в угольных шахтах чрезвычайно важная задача, т.к. это позволяет существенно снизить поступление воздуха в выработанные пространства и как следствие значительно снизить вероятность самовозгорания угля, а также повысить концентрацию метана в
изолированных пространствах, обеспечив возможность управления газовыделением и получение дополнительных объёмов высококонцентрированного метана в дегазационной системе, для последующей его утилизации.
В настоящее время при возведении перемычек в угольных шахтах не учитываются многие факторы (трещин-новатость окружающих пород, воздействие горного давления и т.д.), в следствие чего перемычки имеют низкое аэродинамическое сопротивление, со временем разрушаются и выполняют зачастую только ограждающую функцию, предотвращая доступ людей в изолируемое пространство.
Существующие технологии сооружения и материалы для изоляционных перемычек зачастую не обеспечивают получение конструкции с необходимым сопротивлением. По имеющейся информации наиболее качественные перемычки обладают сопротивлением от 5 до 50 кц, что совершенно недостаточно. В качестве примера рассмотрим следующую ситуацию: газовыделение СВП составляет 8 м3/мин, депрессия воздействующая на перемычку 100 мм вод. ст. Для подключения дегазационного трубопровода концентрация метана в изолированном пространстве должна быть не
менее 30 %, значит общий дебит перемычки не должен превышать 25 м3/мин (0,41 м3/с). Произведя расчёта! по формуле (1)
н = яоп (1)
где И — депрессия; Я — аэродинамическое сопротивление трещин и вообще каналов в толще горных пород или закладки, по которым просачиваются газы или воздух; О — дебит воздуха через эти последние в единицу времени (м3/с); п — величина близкая к единице, т.к. режим прососа газов и воздуха через рыхлые, трещиноватые и вообще газопроницаемые тела, даже при самых высоких депрессиях, которые могут практически иметь место в рудничных условиях, близок к ламинарному.
Произведя необходимые расчёты, получаем минимальное сопротивление перемычки, при заданных условиях, которое должно составлять не менее 245 кц, т.е. почти в пять раз больше чем лучшие образцы, сделанные по стандартной технологии. А если понадобится повышение концентрации метана в заперемыченном пространстве до 60 %, что более предпочтительно для системы дегазации, то сопротивление перемычки должно быть не менее 480 кц. Учитывая, что депрессии на перемычках могут достигать 450— 500 мм вод. ст., то очевидно, что сопротивления перемычек должны достигать 3000 -4000 кц.
Очевидно, что существующие технологии сооружения изоляционных перемычек не обеспечивают решение этой задачи. Это происходит по ряду причин:
1. В соответствии с требованиями ПБ в угольных шахтах, чтобы обеспечить возможность проветривания тупика за счёт общешахтной депрессии, изоляционные перемычки сооружаются не далее 5 м от сопряжений вы-
работок, т.е. в зонах с повышенной трещиноватостью горных пород;
2. Конструкция перемычек не рассчитывается на воздействие горного давления и поэтому уже через некоторое время в теле перемычки появляются трещины. Зачастую для сооружения перемычек используются шлакоблоки или чураки, а толщина перемычки колеблется от 0,4 м до 1 м.
3. Основной дебит происходит не через тело перемычки, по трещинам расположенным в окружающих породах, но, несмотря на это тампонаж боковых пород для снижения воздухопроницаемости в зоне сооружения перемычки не производится.
4. Не предусмотрено также торкретирование периметра выработки для снижения воздухопроницаемости по обе стороны от перемычки.
5. Вруб делается формально и ограничивается оборкой отслоившейся породы.
6. По причине отсутствия в большинстве горных выработок возможности подачи сжатого воздуха, для производства вруба применяются БВР, что дополнительно увеличивает зону трещиноватости;
Для повышения сопротивления изолирующих перемычек предлагается использовать технологию, представленную ниже. На стадии проектирования отработки запасов необходимо намечать места для изолирующих перемычек. Место сооружения перемычки необходимо выбирать заранее в наиболее устойчивой части выработок.
В качестве примера рассмотрим горную выработку трапециевидной формы с площадью поперечного сечения 13,5 м2 (рис. 1).
Рассмотрим вариант сооружения изоляционной перемычки на расстоянии 20 м от сопряжения, где трещи-новатость меньше чем в зоне сопря-
Зона установки
изО.ТцПщдц перемычки
Зона дстанодки
фау1ЬшПЕрЕМЫЧКи
Рис. 2. Схема сооружения изоляционной н фальшперемычки в плане
жения. Для исключения образования тупика более 5 м, предлагается осуществлять сооружение т.н. фальшпе-ремычек, в теле которых предусматривается два герметично закрываемых проёма. При необходимости ос-
мотра основной перемычки они будут использоваться для проветривания и доступа в межперемычное пространство (рис. 2).
Перед возведением изолирующей перемычки производится поэтапная
Рис. 3. Схема герметизации горной выработки в зоне вруба
обработка 10-метровой зоны по обе стороны от неё; после закрепления выработки анкерной крепью извлекается старая крепь, а вся зона, за исключением места возведения перемычки, торкретируется составом «Б^исШг^е ШБ» рис. 2.
Длина анкеров и шаг, а также толщина набрызгбетона зависит от конкретных горно-геологических условий. В данном случае была принята анкеров-ка с шагом 500 мм и толщина нанесения материала Бйис1игйе ШБ-100 мм.
Описание материала
81гис1игИе ШБ
Б^исШгЁе ШБ — однокомпонент-ный состав представляющий собой
смесь портландцементов, модифицирующих добавок отобранных инертных заполнителей; содержит полипропиленовую фибру.
При смешивании с водой образует обладающую высокими эксплуатационными свойствами смесь для набрыз-га мокрым способом; после схватывания становится бетонно-серого цвета.
Достоинства:
1. хорошая адгезия;
2. инертные заполнители;
3. не содержит хлоридов;
4. постоянное содержание воды.
Простота в работе и экономичность:
1. однокомпонентный, смешивается с обычной водой;
.■ Дч гатдг^г с с ля ¡-ссе атл/За; Рис. 4. Схема установки изолирующей перемычки
2. низкая степень отскока;
3. после нанесения можно заглаживать мастерком для получения гладкой поверхности;
4. предварительно расфасован, что обеспечивает стабильность качества.
Безопасность для окружающей среды:
1. на основе цемента;
2. не содержит растворителей.
Для повышения герметичности
вмещающих пород в месте установки перемычки по периметру делается вруб (без применения БВР) на глубину не менее 1 м, бурятся шпуры диаметром 18 мм, длиной 2 м с, шагом 500 мм и в них закачиваются под давлением двухкомпонентный состав на основе акриловых смол ве1асгу1 БирегАех, с примерным расходом 100
л на 1 шпур, который за счёт своих свойств герметизирует существующие трещины в породном массиве (рис. 3). Описание материала ве1аегу1 БирегАех Ое1асгу1 Бирегйех представляет собой гидрофильную акриловую смолу, состоящую из 2-х компонентов: собственно смолы и катализатора, которая инъектируется двухпоршневым насосом в пропорции 1:1. После полимеризации образуется упругий высокоэластичный гель. Благодаря исключительно низкой вязкости и низкому поверхностному натяжению материал проникает в трещины не хуже, чем вода.
Смола: ве1асгу1 БирегАех Катализатор: ТЕ 300
Рис. 5. Схема установки фальшперемычки
Инициатор: АР 200
Замедлитель: КР 500
Достоинства:
1. Низкая вязкость: способен проникать в трещины с раскрытием 0,1 мм.
2. Высокая степень расширения при последующем контакте с водой: до 67 %.
3. Высокая устойчивость к воздействию большинства кислот, щелочей, микроорганизмов.
4. Температура применения от +5 до +70 0С.
5. Нетоксичная полиакрилатная смола, не содержит акриламид.
Конструкция перемычки должна рассчитываться с учётом воздействия горного давления. По нашим расчётам это может составлять 2-2,5 м, при изготовлении её из фосфогипса.
Наружную поверхность перемычки и места контакта с породным массивом предлагается обработать материалом Б^исШг^е ШБ. Так же через тело перемычки в изолированное пространство вводится 2 трубопровода: для водоотлива и для отбора проб и измерения депрессии, которые выводятся через фальшпере-мычку (рис. 4).
Для оперативного контроля за состоянием газовой обстановки в запере-мыченном пространстве в тело основной перемычки должны быть установлены пробоотборная и водоотливная трубы, которые выводятся через фальшперемычку. В теле фальшпере-мычки кроме этого устанавливается пробоотборная труба для контроля за состоянием газовой обстановки в зоне
Материал Количество Стоимость, руб.
Structurite WS 48,1 т 3 860 000
Gelacryl Superflex 3600 л 1 300 000
Фосфогипс 105 т 320 000
Анкер 1180 шт. 600 000
Трудозатраты — 1 100 000
Общая стоимость 7 180 000
между основной изолирующей и фальшперемычкой (рис. 5).
Исходя из расхода, рыночной стоимости материалов и трудозатрат был произведён расчёт стоимости возведения изоляционной перемычки, показанный в табл. 2.
Для примера, при газовыделении из СВП 8 м3/ мин, общий дебит метана через перемычку в течение 5 лет составит около 21 000 000 м3, что при рыночных ценах на природный газ составляет ( для расчёта принята цифра 9000 руб. за 1000 м3, что существенно ниже реальной цены) 189 000 000 руб.
Если предположить, что для изоляции выработанного пространства потребуется сооружение даже нескольких перемычек, то экономический эффект только от использования газа всё равно покрывает их стоимость
1. Скочинский A.A., Огиевский В.М. Рудничные пожары. — М.: Ленинград, 1940.
2. Сергеев И.В., Забурдяев В.С., Рубан А.Д., Диколенко Е.Я., Экгардт В.И., Панте-
многократно. Реальный экономический эффект будет существенно больше, т.к. данный расчёт только исходя из стоимости газа, но также существенно снижается расход электроэнергии, горячей воды и т.д.
Заключение
Поскольку газовыделение СВП действующих шахт удаляемое воздухом достигает 50 % и даже после закрытия шахт выделение газа из СВП продолжается в больших объёмах годами, применение представленной конструкции и технологии возведения изоляционных перемычек позволит значительно повысить эффективность дегазации шахт, уменьшит газовую нагрузку на вентиляционную систему, снизит себестоимость добычи угля и уменьшит выбросы метана в атмосферу, что подтверждается нашими расчётами.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
леев A.C., Устинов Н.И. Проблемы разработки угольных пластов, извлечения и использования шахтного метана в печорском бассейне. — М., 2002. ГТТШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Мещеряков Эдвард Дмитриевич — студент Московского государственного горного университета, e-mail: [email protected].
