Некоторые аспекты применения нормативных документов при проектировании высокопроизводительных выемочных участков угольных шахт Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.4:622.232.001.24:622.411.332:533

А.М.Тимошенко (канд. техн. наук, исполнительный директор, заведующий лабораторией ОАО «Научный центр ВостНИИ по безопасности работ в горной промышленности»)

М.Н. Баранова, Д.В.Никифоров (научные сотрудники ОАО «Научный центр ВостНИИ по безопасности работ в горной промышленности»)

Л.П. Белавенцев (д-р техн. наук, профессор, ведущий научный сотрудник ООО «ВостЭКО»)

Некоторые аспекты применения нормативных документов при проектировании высокопроизводительных выемочных участков угольных шахт

Рассмотрены существующие требования «Руководства по проектированию вентиляции угольных шахт» по ограничению скорости подвигания очистного забоя величиной 6 м/сут при определении максимально допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору.

На примере опыта отработки отдельных высокопроизводительных выемочных участков шахт показана несостоятельность нормативных требований по ограничению скорости подвигания очистного забоя.

Предложены пути решения возникших противоречий при проектировании высокопроизводительных выемочных участков шахт.

Ключевые слова: НОРМАТИВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ПРОЕКТИРОВАНИЕ, ВЫЕМОЧНЫЙ УЧАСТОК, СКОРОСТЬ ПОДВИГАНИЯ, ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕ, ПРОГНОЗ

Широкое внедрение высокопроизводительной угледобывающей техники на предприятиях угольной отрасли страны в последние годы привело к значительному росту нагрузок на очистные забои угольных шахт.

Несмотря на объективно безопасные по газовому фактору условия отработки выемочных участков с нагрузками на очистные забои до 10-15 тыс. т/сут, а в отдельных случаях и до 30 тыс. т/сут, проектирование выемочных участков с данной производительностью является недопустимым даже на негазоносных угольных пластах, поскольку вступает в противоречие с отдельными требованиями «Руководства по проектированию вентиляции угольных шахт» (далее Руководство) [1], разработанного в 1989 г. на базе научных исследований, выполненных в 60 - 70-е годы прошлого столетия.

В настоящее время одним из наиболее острых вопросов несоответствия существующих требований нормативных документов и фактического опыта отработки выемочных участков является вопрос использования формул (6.2) и (6.16, 6.17) [1] алгоритма расчета максимально допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору, которые в соответствии с условиями Руководства ограничиваются в использовании скоростью подвигания очистного забоя 6 м/сут:

-1,67 / „ ч1,93

Amax = Ар

V 1440 ,

V194 J

( 0 Y’93 (1 у0,67

А = А ■ I~1’61 - р - чр

'‘^max р р

194

Ч У

1 ф

Ч оч ф У

В соответствии с «Правилами безопасности в угольных шахтах» (ПБ 05-618-03) основными критериями, определяющими условия проектирования и эксплуатации очистных забоев по газовому фактору, являются:

п.268, предусматривающий ограничение содержания метана в исходящей из очистного забоя струе воздуха величиной 1%;

п.235, предусматривающий ограничение максимальной скорости движения воздуха в очистном забое величиной 4 м/с.

Сочетание указанных выше ограничений в соответствии с формулами [1]:

О.оч 0,оч.тах Ко.з 60 Утах 8оч.тт Ко.з-,

Ооч = 100 1оч Кн /С-Со,

где Утах = 4 м/с; С = 1% определяют величину максимальной газообильности очистного забоя, которая в свою очередь определяет максимально допустимую нагрузку на очистной забой и, как следствие, ее производную - скорость подвигания очистного забоя.

Исходя именно из данных условий, в разделе 3 Руководства [1] (формула 3.7) предусмотрен расчет газообильности очистного забоя с учетом скорости его подвигания. При этом скорость подвигания очистного забоя не ограничивается абсолютной величиной (6 м/сут), а принимается исходя из плановой нагрузки на очистной забой по формуле 6.1 [1 ].

В соответствии с [1] для обеспечения требований п.235 и 268 ПБ 05-618-03 ограничение скорости подвигания очистного забоя или нагрузки на очистной забой определяется только пропускной способностью и газообильностью очистного забоя, которая, в свою очередь, зависит от природной газоносности разрабатываемого пласта и технической характеристики горно-шахтного оборудования.

Представленные в разделе 6.1 Руководства [1 ] ограничения по использованию вышеприведенных формул (6.2) и (6.16, 6.17), определяющих максимально допустимую нагрузку на очистной забой по газовому фактору, обусловлены не фактором вероятной опасности эксплуатации выемочных участков при скоростях подвигания очистного забоя более 6 м/сут, а исключительно ограниченной областью применения самого алгоритма прогноза газообильности очистных забоев на основе данных природной газоносности разрабатываемых угольных пластов, поскольку основывались на результатах научных исследований ведущих ученых в области исследования процессов газовыделения из угольных пластов [2, 3, 4, 5, 6], выполненных на базе экспериментальных исследований тех лет.

Смысл введенных Руководством [1] ограничений можно оценить, проанализировав представленные в нем методики прогноза газообильности выемочных участков.

В соответствии с требованиями Руководства [1 ], например для схем проветривания выемочных участков с обособленным разбавлением метана по источникам его выделения, относительное метановыделение из разрабатываемого пласта в очистной забой определяется по формуле (3.22) [1]:

Цпл Цо.пл + Ц_0.у + к э.п (X - Хо) ,

где до.пл - относительное метановыделение из очистного забоя, м3/т;

до.у - относительное метановыделение из отбитого угля, м3/т;

Значения дапл и qoy определяются по формулам (3.23), (3.24), (3.25), (3.26) [1]:

до.пл = Хкпл ехр (-n) ;

где вз, в4 - коэффициенты, учитывающие долю отбитого угля, соответственно, находящегося

на конвейере и оставляемого в лаве, доли ед.; значения вз = 0,6; в4 = 0,4 при односторонней выемке угля; вз = 1, в4 = 0 при двухсторонней выемке угля;

кТУ, к 'ту, к "ТУ - коэффициенты, учитывающие степень дегазации отбитого угля, соответственно, в очистной выработке на конвейере кТУ , на почве в лаве к'ТУ и на конвейере в выработке участка к"ТУ ; определяются по формулам (3.27), (3.28), (3.29), (3.30) [1]:

Тт.п.Л - время нахождения отбитого угля на почве в лаве при односторонней выемке уг-

ля, мин; принимается ориентировочно равным времени работы комбайна по выемке полоски угля на ширину захвата с учетом времени на концевые операции;

тировании по выработкам участка.

Полученная зависимость изменения газоносности разрабатываемого пласта на кромке очистного забоя от скорости подвигания очистного забоя на примере шахт «Котинская» и «Тага-рышская» продемонстрирована на представленных ниже рисунках 1 и 2.

к _ а Т в 2 ;

Л ТУ — и 2 1 Т.Л ’

Т . П .Л ’

ТТЛ - время транспортирования угля в лаве, мин;

¥ТЛ - скорость транспортирования угля в лаве, м/с.

Откуда получаем

а _ Х • к • е п

Т/о.ПЛ пл

ао.у. _ ХВ • КТУ

где ХВ _Х• к -(і-е-п)

В пл \ /

или

где Хв _ Х• к„л-(і-е-п)

где ХВ - газоносность разрабатываемого пласта в зоне выемки, м3/т;

КТУ - коэффициент, учитывающий степень дегазации отбитого угля при его транспор-

Рисунок 1 - Изменение соотношения ХВ / Хв зависимости от подвигания очистного забоя в условиях выемочного участка лавы №5203 шахты «Котинская»

Рисунок 2 - Изменение соотношения ХВ / Хв зависимости от подвигания очистного забоя в условиях выемочного участка лавы 34-4 шахты «Тагарышская»

Как видно из представленных рисунков, при определенных нагрузках на очистной забой, соответствующих скорости подвигания очистного забоя 6-8 м/сут, газоносность разрабатываемого пласта в зоне резания комбайна в соответствии с закономерностями, принятыми в Руководстве, начинает приближаться к природной. Это свидетельствует о том, что доля газовыделения с обнаженной поверхности разрабатываемого пласта в общем газовом балансе выемочного участка при данных скоростях подвигания очистного забоя начинает приближаться к нулю. На основании этого следует, что газовыделение в очистной забой из разрабатываемого пласта не происходит, а газо-обильность очистного забоя определяется исключительно газовыделением из отбитого угля, находящегося в пределах очистного забоя и транспортируемого в пределах выемочного участка.

Несмотря на то, что данный механизм газовыделения имеет место при отработке отдельных марок угольных пластов, он не зависит от скорости подвигания нагрузок на очистной забой, а

определяется исключительно свойствами угольных пластов. Для подавляющего большинства выемочных участков процесс газовыделения из разрабатываемого пласта после его обнажения продолжается в течение продолжительного периода времени с пиком активности газовыделения в течение нескольких минут с последующим затуханием на протяжении нескольких часов.

Для подтверждения отмеченного выше на рисунке 3 представлен тренд изменения концентрации метана в лаве №5207 шахты «Котинская» в период работы очистного комбайна и после его остановки. Как видно из представленного рисунка, рост концентрации метана в исходящей из очистного забоя вентиляционной струе соответствует периоду активного газовыделения из разрушаемого очистным комбайном угольного массива и обнаженной поверхности разрабатываемого пласта. Плавное снижение концентрации метана на протяжении 20 мин после остановки комбайна обусловлено только газовыделением с обнаженной поверхности разрабатываемого пласта. Это свидетельствует о процессе естественной дегазации угольного пласта, примыкающего к его обнаженной поверхности, что приводит к снижению газоносности пласта в зоне резания.

Рисунок 3 - График изменения концентрации метана в исходящей из очистного забоя вентиляционной струе при работе комбайна

Следовательно, алгоритмы прогноза газообильности очистных забоев по данным природной газоносности пласта - формулы 3.22-3.30 [1] и определения максимально допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору (формула 6.2) [1] при определенных нагрузках на очистной забой теряют физический смысл.

Руководствуясь данными соображениям, в свое время в [1] и были введены ограничения по области действия формул (6.2) и (6.16).

В неадекватности принятой в [1] методики расчета газообильности очистного забоя по данным природной газоносности разрабатываемого пласта для условий высоких нагрузок на очистные забои (более 5-6 тыс.тонн в сутки) можно убедиться и на примере данных фактического газовыделения в очистной забой, полученных при отработке высокопроизводительных выемочных участков шахты «Котинская», представленных на рисунке 4,а, б (рисунки представлены в порядке увеличения глубины отработки выемочных участков).

а

Суточная нагрузка на очистной забой, т/сут

б

Суточная нагрузка на очистной забой, т/сут

♦ -фактические данные о газовыделении в очистной забой, полученные при отработке выемочного уча-

стка;

-прогноз ожидаемого газовыделения в очистной забой при отработке выемочного участка, выполненный по природной газоносности разрабатываемого пласта в соответствии с [1]

Рисунок 4 - Изменение фактической и прогнозной газообильности выемочного участка в зависимости от нагрузки на очистной забой: а - лава №5204; б - лава №5203

Как видно из представленного выше рисунка 4, фактическая газообильность выемочных участков значительно ниже прогнозных значений газовыделений, определенных по данным природной газоносности разрабатываемого пласта. Причем это отличие при разных нагрузках на очистной забой составляет от 2 до 5 раз.

Это свидетельствует о том, что прогноз газообильности выемочных участков по данным природной газоносности разрабатываемого пласта, как это видно на примере шахты «Котинская», не может обеспечить инженерную точность расчетов, что приводит к принятию технических решений, не позволяющих обеспечить необходимый уровень комплексной безопасности при отработке выемочных участков.

На основании приведенного выше анализа области действия представленных в [1] алгоритмов прогноза газообильности выемочного участка и определения максимально допустимой нагрузки на очистной забой, основанных на использовании данных природной газоносности разрабатываемых пластов, можно сделать вывод о том, что формула (6.2) [1] не может быть использована для оценки максимально допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору с учетом ограничения скорости подвигания очистного забоя 6 м/сут.

Для оценки возможности использования формулы (6.16) [1] с целью определения максимально допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору для выемочных участков действующих и реконструируемых угольных шахт необходимо выполнить сравнительный анализ результатов прогноза максимально допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору, определенной в соответствии с формулой (6.16), и данных фактической нагрузки на очистной забой отработанного выемочного участка.

Для проведения анализа в качестве примера примем параметры работы выемочных участков лавы №5203 шахты «Котинская», лавы №6704 шахты «Талдинская - Западная -1», лавы №344-1 шахты «Тагарышская».

Результаты выполненного расчета максимально допустимой нагрузки на указанные выше очистные забои на базе данных лав-аналогов представлены на рисунках 5-7.

60,00

X 5

2

”2

* 50,00 о ю

(С «

>5

о

£ 40,00 и

5 У

О ю

ё 30,00

X

Ф Ц Ф Ч

М 20,00 « го ф о

| 10,00 Ц

о и ю <

0,00

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000

Суточная нагрузка на очистной забой, т/сут

1-фактическое газовыделение в очистной забой; 2 - прогнозное газовыделение в выемочный участок по данным фактического газовыделения в лаву-аналог; 3 - прогнозное газовыделение из разрабатываемого пласта по данным природной газоносности разрабатываемого пласта; 4 - прогнозное газовыделение на выемочный участок по данным природной газоносности разрабатываемого пласта

Рисунок 5 - Изменение фактической и прогнозной газообильности лавы №5203 шахты «Котинская» в зависимости от нагрузки на очистной забой

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

Среднесуточная добыча, т/сут

1 - фактическое газовыделение в очистной забой; 2 - прогнозное газовыделение на выемочный участок по данным фактического газовыделения в лаву-аналог; 3 - прогнозное газовыделение из разрабатываемого пласта по данным природной газоносности разрабатываемого пласта; 4 - прогнозное газовыделение на выемочный участок по данным природной газоносности разрабатываемого пласта

Рисунок 6 - Изменение фактической и прогнозной газообильности лавы №6704 шахты «Талдинская - Западная -1» в зависимости от нагрузки на очистной забой

Среднесуточная добыча, т/сут

1 - фактическое газовыделение в очистной забой; 2 -прогнозное газовыделение из разрабатываемого пласта по данным природной газоносности разрабатываемого пласта; 3 - прогнозное газовы-деление на выемочный участок по данным природной газоносности разрабатываемого пласта

Рисунок 7 - Изменение фактической и прогнозной газообильности лавы №34-4-1 шахты «Тагарышская» в зависимости от нагрузки на очистной забой

Представленные на рисунках результаты расчета максимально допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору показывают, что формула (6.16) [1] наиболее точно отражает зависимость газообильности очистного забоя от нагрузки на очистной забой, чем формула (6.2).

Как видно из представленных рисунков, сходимость результатов расчета по формулам (6.2) и (6.16) в пределах инженерной погрешности расчетов ограничивается областью нагрузок на очистной забой в пределах от 0 до 5 тыс.тонн в сутки.

Выполненный выше анализ показал, что при проектировании выемочных участков действующих и реконструируемых угольных шахт прогноз газообильности выемочных участков и определение максимально допустимой нагрузки на очистной забой должны осуществляться исключительно по данным фактической газообильности лав-аналогов и без ограничения условий применения формулы (6.16) по скорости подвигания очистного забоя. При этом условия выбора лав-аналогов для проектируемых выемочных участков должны обеспечиваться в рамках требований Руководства.

Необходимо отметить, что ограничение условий применения формулы (6.16) является и неправомерным, так как вступает в противоречие с другими положениями Руководства [1].

Для действующих шахт в соответствии с требованиями п.3.2.1 [1] прогноз ожидаемого га-зовыделения в очистные забои и на выемочные участки должен осуществляться по данным фактической газообильности выработок шахтопласта, т.е. по данным лав-аналогов.

Условия применения данного прогноза газообильности очистных выработок и выемочных участков определены формулами (3.85) и (3.86) Руководства [1], связывающими между собой такие параметры, как абсолютное газовыделение, длина очистного забоя и суточная нагрузка на очистной забой проектируемого выемочного участка и участка, принятого в качестве лавы-аналога.

Для приведения в соответствие условий отработки проектируемых выемочных участков и лав-аналогов формулами (3.85) и (3.86) Руководства [1] предусмотрено применение коэффициентов Кср и Кгр, учитывающих, соответственно, изменение системы разработки и изменение мета-нообильности выработок с глубиной.

Достоверность данного метода прогноза газообильности подтверждена фактом его многолетнего применения при проектировании выемочных участков на шахтах Кузбасса и не вызывает сомнений в корректности его использования для любых условий и параметров отработки выемочных участков.

Формулы (6.16)-(6.17) Руководства [1], используемые для определения максимально допустимой нагрузки на очистной забой, нагрузки по данным фактического газовыделения и фактической добычи выемочного участка, принятого в качестве лавы-аналога, являются прямым переложением формулы (3.85) Руководства [1] и описывают тот же самый процесс изменения газовыделения в зависимости от изменения параметров отработки выемочных участков.

Для доказательства этого преобразуем формулу (3.85) Руководства [1] путем тождественных преобразований к виду Ар = / (Аф, 1оч. ф, 1оч.р).

I

оч. р

I

оч.ф

I

оч . р

I

оч. р

I

I

оч.ф

оч. р

I ф

V оч.ф \ Ґ

оч. р

I ф

V очф У

0,4

0,4

А,

А:

V Аф У

0,6

V Аф У

0,6

I

оч.ф

оч . р

V0,4 Ґ \

А „

V 1оч.ф у

Аф

V ф У

0,6

откуда находим

А

А,

1 оч. р

V1 очф У

0,6

>-0,4 Л

оч . ф

V оч.р У

V4 у У

0,6

А

А

1 оч. р

V1 т.ф у

1,67

Ґ1 л

оч.ф

I

V оч Р У

0,67

I

Ар Аф ' 11,67 оч..ф

-0,67

оч. р

оч. р

т~

V очф у

А = А . І _1,67 . 1167

р ф оч .ф оч . р

-0,667

^ оч. р

V 1оч.ф у

Произведя замену ожидаемого газовыделения в очистной забой 1оч.р на расход воздуха Qp, который потребуется для разбавления данного объема метана до допустимых концентраций, расчет расхода воздуха будет производиться по формуле:

О - 100. I . к - 100. I . 1,94 . I~и’м = 194. I

оч.р н -*■ оч. р ’ лч. р <

оч. р

' лч.р

оч. р

Откуда получим I

( О \ О,86

V194 У

Произведя замену ^ на Ор, получаем выражение, тождественное формулам (6.16)-(6.17).

А = А . I~1,67

^р _ ^ф 1 оч.ф

1 ^ (^0’86 > 194

V У

1,67

(I V0’67

оч. р

V оч.ф У

ґ ҐЛ Л1’93

А - А . I_1,67

Лр Лф оч.ф

о

194

V У

О Л

оч. р

-0,67

I ф

V очф У

1

Исходя из данной взаимосвязи формул (3.85) и (6.16), (6.17) Руководства [1], ограничение в применении формул (6.16), (6.17) величиной скорости подвигания очистного забоя 6 м/сут вступает в противоречие с условиями прогноза газообильности очистных забоев и выемочных участков по данным фактического газовыделения в лавы-аналоги, определенными разделом 3 Руководства [1 ], без каких-либо на то оснований.

В Ы В О Д Ы

1 Отдельные положения «Руководства по проектированию вентиляции угольных шахт» [1], принятые на базе научных исследований, выполненных в 60 - 70-е годы прошлого столетия, не соответствуют существующему в настоящее время опыту проектирования выемочных участков с нагрузками на очистные забои более 5 тыс.тонн в сутки.

В соответствии с разделом 6 Руководства [1] даже на негазоносных пластах максимально допустимая нагрузка на очистной забой по газовому фактору должна быть ограничена скоростью подвигания очистного забоя 6 м/сут.

2 Анализ использования алгоритма прогноза газообильности выемочных участков по данным природной газоносности разрабатываемых пластов показывает, что формула (6.2) Руководства [1] не может быть использована для оценки максимально допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору с учетом ограничения скорости подвигания очистного забоя 6 м/сут.

3 Анализ взаимосвязи формул (3.85) и (6.16), (6.17) Руководства [1] показывает, что ограничение в применении формул (6.16) и (6.17) величиной скорости подвигания очистного забоя 6 м/сут вступает в противоречие с условиями прогноза газообильности очистных забоев и выемочных участков по данным фактического газовыделения в лавы-аналоги без каких-либо на то оснований.

4 Учитывая противоречия отдельных положений «Руководства по проектированию вентиляции угольных шахт», основными критериями, определяющими условия проектирования и эксплуатации очистных забоев по газовому фактору, должны являться требования пп. 268 и 235 «Правил безопасности в угольных шахтах» (ПБ 05-618-03).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. -Макеевка-Донбасс, 1989.

- 319 с.

2 Божко, В.Л. Образование зоны дренирования угольного массива впереди движущегося очистного забоя / В. Л. Божко, Д.В. Кузьмин // Труды МакНИИ. -Т XXII. - Макеевка, 1972. -С.12-19.

3 Мясников, А.А. Метановыделение из пласта при различной скорости подвигания очистного забоя / А.А. Мясников, И.Д. Мащенко // Вопросы безопасности в угольных шахтах: труды Вос-тНИИ. - Т.4. - М.: Недра, 1964. -С. 3-12.

4 Петросян, А.Э. Выделение метана в угольных шахтах /А.Э. Петросян. - М.: Наука, 1975. -

188 с.

5 Мясников, А.А. Метанообильность очистных забоев при безлюдных способах добычи угля / А.А. Мясников, И.Д. Мащенко // Вопросы безопасности в угольных шахтах: труды ВостНИИ. - Т.4.

- М.: Недра, 1964. -С.12-22.

6 Осипов, Н.С. Управление метановыделением при различных скоростях подвигания очистного забоя /Н.С. Осипов. - М.: Госгортехиздат, 1960. - 93 С.

SOME ASPECTS OF REGULATION DOCUMENTS APPLICATION AT PROJECTING OF COAL MINES HIGH PRODUCTION EXTRACTION SECTIONS

A.M. Timoshenko, M.N. Baranova, D.V. Nikiforov, L.P. Belaventsev

The existing demands of “Manual for coal mine ventilation projecting” concerning coal extraction face advancing speed restriction up to 6 meters per day when determining the highest allowed production amount of the coal face due to gas factor are considered.

From experience of some mines high production extraction sections operation groundlessness of regulating demands to restrict coal extraction face advance speed is shown.

Ways of contradictions occurring at high production mine extraction sections projecting are suggested.

Key words: REGULATING ASPECTS, PROJECTING, EXTRACTION SECTION, ADVANCE SPEED, GAS EMISSION, FORCAST.

Тимошенко Александр Михайлович Ш/тел. (3842) 64-31-10 Баранова Марина Николаевна Ш/тел. (3842) 64-31-10 Никифоров Дмитрий Владимирович Ш/тел. (3842) 64-31-10 Белавенцев Лев Петрович Ш./тел. (3842) 64-29-35