CC BY
40
ш\
М.С. Плаксин [email protected]
I. ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ГЕОМЕХАНИКА INDUSTRIAL SAFETY AND GEOMECHANICS
УДК 622.831.322
РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ МЕРОПРИЯТИЙ ПО БЕЗОПАСНОМУ ПРОВЕДЕНИЮ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК НА ВЫСОКОГАЗОНОСНЫХ УГОЛЬНЫХ
ПЛАСТАХ
DEVELOPMENT AND JUSTIFICATION OF MEASURES FOR SAFE PREPARATION OPENINGS HEADING AT HIGHLY GASSY COAL SEAMS
М. С. Плаксин - канд. техн. наук, научный со- M. S. Plaksin - candidate of technical sciences,
трудник Института угля ФИЦ УУХ СО РАН chief scientific researcher of RASc Siberian Branch
Federal Research Center for Coal and Coalchemistry, Kemerovo, Russia.
Приводятся результаты исследований в области контроля газовой и газодинамической опасности при проведении подготовительных выработок по высокогазоносным угольным пластам и разработки мер по ее снижению на основании данных аппаратуры газовой защиты.
Опасность инициирования опасных газодинамических явлений, в том числе внезапных выбросов угля и газа, является основным фактором, влияющим на темпы проведения подготовительных выработок. Указывается, что использование данных о метанообильности подготовительных выработок в качестве индикатора газодинамической активности угольного пласта может значительно повысить темпы проведения подготовительных выработок.
Представлен метод оценки размеров зоны развития неупругих деформаций в приконтурной части угольного пласта по данным о метанообильности выработки с целью обоснования параметров мероприятий по снижению газовой и газодинамической опасности.
The research results are brought in the sphere of gas and gas-dynamic danger control during preparation openings heading through highly gassy coal seams and also measures developed for this danger reduction on the basis of gas protection instruments received data.
Danger of negative gas-dynamic phenomena including sudden coal and gas outbursts initiation is the main factor which influences the speed of preparation openings heading.
It is pointed out that using preparation opening methane content data as the coal seam gas-dynamic activity indicator we can significantly increase the preparation gallery heading speed. Non-tensile deformation zone sizes in the coal seam contour part evaluation method based on the opening methane content is presented with the aim to justify gas and gas-dynamic danger reduction measure parameters.
Ключевые слова: УГОЛЬНЫЙ ПЛАСТ, ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ, ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ ВЫРАБОТКИ, МЕТАНООБИЛЬНОСТЬ, МОНИТОРИНГ, ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА
Key words: COAL SEAM, GAS-DYNAMIC ACTIVITY, PREPARATION OPENINGS, METHANE CONTENT, MONITORING, ELECRTONIC SYSTEM
С внедрением передовых техноло- ся главным сдерживающим фактором. С
гий в горнодобывающую промыш- целью повышения газовой безопасности
ленность возросла возможность за последние 20 лет в части мониторинга
увеличения темпов проведения газовой обстановки была снижена инер-
подготовительных выработок и отработки ционность датчиков метана, однако этим
выемочных столбов. При этом газ остает- лишь незначительно сократилось время
отключения энергоснабжения в случае превышения пороговых значений концентраций метана. А в части учета показаний датчиков системы аппаратуры газовой защиты (АГЗ) произошел переход с ленточных самописцев на электронные носители.
В то же время информация с датчиков системы АГЗ о концентрации метана и расходе воздуха в выработке может стать базисом для выполнения текущего прогноза газовой и газодинамической опасности, т.е. опережающего применения технологических мероприятий по предотвращению опасных ситуаций. Исследования в этом направлении ведутся не первое десятилетие. Еще полвека назад в работах О.И.Чернова [1] показана связь интенсивности газовыделения с давлением газа в пласте, являющимся одним из основных факторов выбросоопасности. В настоящее время подготовлены и прошли промышленные испытания методы прогноза газодинамической опасности по метанообильности подготовительной выработки разработчиков: А.Г.Хейфец (КазНИИБГП) [2], В.В.Славолюбов (ВостНИИ) [3], Г.Я. Полевщиков (ИУ СО РАН) [4]. На основе анализа фактических данных о метанообильности выработки [2-4], полученных в период ее проведения, возможно выполнить оценку газодинамической активности прикон-турной части угольного пласта, а также уточнять ожидаемую метанообильность в соседних под-
готовительных выработках.
В соответствии с нормативными документами для обеспечения газовой безопасности выполняется расчет ожидаемой метанообильности выработки [5], а контроль газодинамической опасности осуществляется методом текущего прогноза с замером скорости газовыделения из прогнозных шпуров.
В результате расчета по известной методике [5] ожидаемая метанообильность выработки на расстоянии 20м от ее забоя составляет 4,3 м3/мин для следующих условий: тп (мощность пласта) = 2,6 м, Уп (проектная скорость подви-гания) = 3,0 м/сут, х (газоносность пласта) = 16 м3/т, 8уч (площадь поперечного сечения выработки) = 14,0м2. Для планирования горных работ используется «статичный» показатель ожидаемой метанообильности, однако, как показывает практика, даже на уровне регионального прогноза 6, 7] можно регистрировать значительные изменения свойств угольного пласта, включая изменения его газового потенциала по трассе проведения проектируемой выработки.
Пересечение выработкой участков угольного пласта со значительным изменением его свойств, в первую очередь прочностных, является одним из главных признаков повышения газовой и газодинамической опасности [8]. Как правило, большинство участков относятся к мелкоамплитудной нарушенности и заблаговремен-
а)
I, ЛТ /ЛИШ
4
_У /\ ТГ4^^—ч -
_____/ \___ у/ Ч.Л V /
ЕС
1Ю
им гм
заб. "—20 м.
б)
У. м
Рисунок 1 - Среднесуточная метанообильность J промежуточной печи при ее проведении (а) и карта коэффициента крепости угля в зоне ее проведения (б), исх. - метанообильность выработки по показаниям датчика, расположенного на исходящей струе; заб. - метанообильность по показаниям забойного датчика
17
но не регистрируются геологическими службами шахт. На рисунке 1 в качестве примера представлено влияние мелкоамплитудной нарушен-ности пласта на среднесуточную метанообиль-ность выработки. На рисунке 1(а) наблюдается полуторакратное повышение метанообильности при проведении выработки в центре зоны влияния тектонического нарушения, показанного на рисунке 1(б). Причиной дополнительного газопритока в выработку при ее проведении по участку тектонической нарушенности является увеличение размеров зоны влияния выработки в приконтурной части пласта вследствие низкой несущей способности нарушенной части углепо-родного массива.
В соответствии с общепринятыми представлениями зону влияния выработки принято разделять на две составляющие: зону упругого и неупругого деформирования. Именно в результате активного развития зоны неупругого деформирования формируется основной фильтрационный поток газа в сторону обнаженной поверхности пласта, поскольку только снятие геостатических напряжений в угольном пласте является условием для снижения природной газоносности.
Уточнение параметров развития зоны влияния выработки имеет большое практическое значение, в том числе и для обоснования мероприятий по снижению газовой и газодинамической опасности.
Информацию о метанообильности подготовительной выработки можно использовать как основополагающую для определения ширины зоны газового дренирования выработкой угольного пласта lmxx (зоны неупругого деформирования). На рисунке 2 представлена схема для расчета параметра l .
1 1 max
Исходя из рисунка 2 формула для расчета ширины зоны газового дренирования выработкой угольного пласта в первом приближении с
^me*
учетом принятия функции, отражающей изменения газоносности в приконтурной части угольного пласта по линейной зависимости, примет вид:
_в_
где 2 - общее количество газа, выделившееся из подготовительной выработки, м3; 1выр - протяжённость подготовительной выработки, м; тп - мощность разрабатываемого пласта, м; р - удельный вес угля, т/м3; хр - природная газоносность угля, м3/т; х - остаточная газоносность, м3/т.
ост
Из выполненных по формуле (1) расчётов, результаты которых представлены в таблице 1, можно сделать следующие основополагающие выводы:
• близкие по расположению подготовительные выработки (вентиляционные штреки 573 и 571) имеют практически двукратное отличие размеров зон газоистощения пласта, что говорит о высокой изменчивости его свойств, даже в небольшой области, что и объясняет затруднения при проектировании проветривания протяженных штреков;
• небольшие изменения скорости подвига-ния забоев в близких горно-геологических условиях способны заметно изменить газовую обстановку.
Следовательно, при разработке мероприятий по снижению газовой и газодинамической опасности, при проведении подготовительных выработок в каждом конкретном случае необходимо учитывать интенсивность развития зоны газового дренирования выработкой угольного пласта.
К основным мероприятиям по снижению газовой и газодинамической опасности при проведении подготовительных выработок относится
5 Л
1/\
Рисунок 2 - Схема изменения газоносности угольного пласта в борту выработки
Рисунок 3 - Схема мероприятий по снижению газовой и газодинамической опасности при проведении подготовительной выработки: 1 - скважины гидроразрыва в борт выработки; 2 - скважина забойная;
3 - сеть дегазационных скважин; 4 - щель гидроразрыва; 5 - анкерное крепление; ¡скв - необходимая длина бурения скважин, м; 1но - длина неснижаемого
опережения, м; а - угол между скважиной и осью скважиной, град; I - расстояние между гидроразрывами
18
Таблица 1 - Результаты расчетов по формуле (1)
Шахта Выработка Скорость проведения выработки, м/сут Протяженность выработки, м Мощность пласта, м Природная газоносность пласта, м3/т Ширина зоны газового дренирования выработкой угольного пласта (расчет), м
«Чертинская» ВШ 351 2.4 742 2.8 19 21.8
КШ 351 2.8 615 2.8 19 17.4
РП 351 2.9 204 2.8 19 20.4
КШ 571 4.6 970 2 16 8.2
ВШ 571 3.1 1164 2 16 6.7
КШ 573 3.1 942 2 16 11.7
ВШ 573 3.8 978 2 16 11.9
«Первомайская» КШ 35 2.5 114 3 24 10.4
Примечание. В таблице 1 обозначены: ВШ - вентиляционный штрек, КШ - конвейерный штрек, РП - разрезная печь.
бурение барьерных скважин и бурение веера разгрузочно-дегазационных скважин [5, 10]. Эти мероприятия разработаны и внедрены горными институтами в производство более 30 лет назад, их эффективность нужно отметить как высокую, если не учитывать значительного влияния на снижение темпов проведения подготовительных выработок. Такое влияние в современных условиях борьбы угольных предприятий за рентабельность необходимо минимизировать, и сделать это возможно внедрением метода количественной, а не качественной (опасно-неопасно) оценки эффективности мероприятий по снижению газовой и газодинамической опасности.
В работе [9] представлены базовые положения метода количественной оценки газодинамической активности угольного пласта при проведении подготовительных выработок, который может стать основой для количественной оценки необходимого объема мероприятий по снижению газовой и газодинамической опасности пласта.
Для уточнения параметров мероприятий на основании [11,12] получено уравнение для определения расстояния от оси выработки до очередной зоны дезинтеграции пласта:
г = >Л(0,56^в + Хт)((<2)"-1 + (<2)п) (2) где тп - расстояние от оси выработки до границы зоны дезинтеграции пласта, м; £ - площадь сечения выработки, м2; Хт - расстояние от кромки
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
пласта до области максимальных напряжений, м; п - уровень структурной иерархии [9, 11].
По выражению (2) уточняются параметры технологий снижения газодинамической опасности при проведении подготовительной выработки (рис. 3): длина скважин (¡кке)\ угол наклона скважины (а); места заложения щелей гидроразрыва (/); неснижаемое опережение (1но).
На рисунке 3 представлена схема применения различных мероприятий по снижению газовой и газодинамической опасности в соответствии с выражением 2. Бурение скважин 1 и 3 (рис.3) производится из забоя выработки под углом от 15 до 75 градусов к ее оси в плоскости пласта. В скважинах 1 гидроразрыв [13,14] производится в зонах дезинтеграции, что позволяет использовать упругую энергию массива. Замки анкеров 5 располагаются за зоной дезинтеграции (за зоной неупругого деформирования) с целью предотвращения их смещения к борту выработки. В скважине 2 проводится серия гидроразрывов впереди забоя на глубине тп+1 >1но.
Разработка и внедрение разработанных (обоснованных) мероприятий по снижению газовой и газодинамической опасности при проведении подготовительных выработок по высокогазоносным угольным пластам является единственной возможностью повышения скоростей их проведения при сохранении необходимого уровня газовой безопасности.
Чернов О.И. Прогноз опасных по внезапным выбросам участков пластов в угольных шахтах // В кн.: Вопросы безопасности в угольных шахтах. Труды ВостНИИ. М., Углетехиздат, 1959. Т.1. С. 88-106. Хейфец А.Г., Ходжаев РР, Антонов А.В. и др. Разработка автоматизированного способа прогноза вы-бросоопасных зон и контроля эффективности способов предотвращения выбросов в подготовительных выработках шахт Карагандинского бассейна // Внезапные выбросы угля и газа, рудничная аэрология: науч. сообщ. ин-та горного дела им. А.А. Скочинского. М., 1992. С. 96-100.
Рудаков В.А., Крючков В.И., Славолюбов В.В., Исаев А. Н. Метод автоматизированного прогноза вы-бросоопасных зон угольных пластов в крутопадающих подготовительных выработках // Безопасность
19
жизнедеятельности предприятий в угольных регионах: Тез. докл. II Междунар. науч.-практ. конф. Кемерово: ГУ КузГТУ, 1998. С. 53-54.
4. Методика прогноза газодинамических явлений с использованием аппаратуры контроля метана при проведении подготовительных выработок. Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 1994. 14 с.
5. Инструкция по применению схем проветривания выемочных участков шахт с изолированным отводом метана из выработанного пространства с помощью газоотсасывающих установок // Утверждена приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 1 декабря 2011 года N 680. 126 с.
6. Козырева Е.Н. Газовые потенциалы разрабатываемых участков углеметановых месторождений, особенности их распределения и реализации // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2014. № 1. С. 109-113.
7. Полевщиков Г.Я., Козырева Е.Н., Шинкевич М.В. Повышение эффективности комплексного управления газовыделением на выемочном участке шахты // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2012. № 2. С. 20-27.
8. Зыков В.С. Внезапные выбросы угля и газа и другие газодинамические явления в шахтах. Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 2010. 333 с.
9. Плаксин М.С. Развитие метода автоматизированного контроля газодинамической активности призабой-ной зоны угольного пласта при проведении подготовительных выработок // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2014. № 2. С. 23-28.
10. Методические рекомендации о порядке дегазации угольных шахт (РД-15-09-2006). Сер. 05. Вып. 14 / Колл. Авт.: «Научно-технический центр по безопасности в промышленности», 2007.
11. Опарин В.Н., Тапсиев А. П., Розенбаум М. А., Рева В. Н., Батдиев Б. П., Троп Э. А., Чанышев А. И. Зональная дезинтеграция горных пород и устойчивость подземных выработок. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. 278 с.
12. Мурашев В.И., Бульбенко В.Л., Лопаткин В.Г. Расчетный метод определения выбросоопасности подготовительных и очистных выработок // Сборник научных трудов ВостНИИ. Кемерово, 1972. С. 104-110.
13. Клишин В.И., Зворыгин Л.В., Лебедев А.В., Савченко А. В. Проблемы безопасности и новые технологии подземной разработки угольных месторождений. Новосибирск, 2011. 524 с.
14. Плаксин М.С., Родин Р.И., Рябцев А.А., Альков В.И., Леонтьева Е.В., Непеина Е.С.. Гидроразрыв угольного пласта в шахтных условиях как панацея решения газовых проблем шахт (основы разработки и внедрения) // Уголь. 2015. № 2. С. 48-50.
REFERENCES
1. Chernov, O.I. (1959). Prognoz opasnykh po vnezapnym vybrosam uchastkov plastov v ugolnykh shakhtakh [Forecast of sudden outbursts dangerous coal seam sections at coal mines]. Voprosy bezopasnosti v ugolnykh shakhtakh. Trudy VostNII - Safety questions at coal mines. VostNII papers, Ugletekhizdat, 1, 88-106 [in Russian].
2. Kheifets, A.G., Khodzhaev, R.R., Antonov, A.V. et al. (1992). Razrabotka avtomatizirovannogo sposoba prognoza vybrosoopasnykh zon i kontrolia effektivnosti sposobov predotvrashcheniia vybrosov v podgotovitelnykh vyrabotkakh shakht Karagandinskogo basseina [Development of an automated method for outburst zones forecasting and for outburst prevention methods effectiveness control at preparatory mine workings of Karaganda basin]. Vnezapnyie vybrosy uglia i gaza, rudnichnaia aerologia - Sudden outbursts of coal and gas, mine aerology: Skochinsky Mining Institute scientific reports, 96-100 [in Russian].
3. Rudakov, V.A., Kriuchkov, V.I., Slavoliubov, V.V., & Isaev, A.N. (1998). Metod avtomatizirovannogo prognoza vybrosoopasnykh zon ugolnukh plastov v krutopadaiushchikh podgotovitelnykh vyrabotakh [Method of automated forecast of the coal seam zones dangerous for sudden outbursts at steep preparatory mine openings]. Bezopasnost zhiznedeiatelnosti predpriiatii v ugolnykh regionakh - Mine life safety at coal mining regions. II International scientific and practical conferemce, Kemerovo, GU KuzGTU, pp. 53-54 [in Russian]
4. Metodika prognoza gazodinamicheskikh iavlenii s ispolzovaniiem apparatury kontrolia metana pri provedenii podgotovitelnykh vyrabotok [Gas-dynamic phenomenon forecast using methane control instruments when heading preparatory mine openings]. Kemerovo (1994), RASc Siberian Branch, Institute of Coal and Coalchemistry, 14 p.
5. Instruktsia po primeneniiu skhem provetrivaniia vyiemochnykh uchastkov shakht s izolirovannym otvodom metana iz vyrabotannogo prostranstva s pomoshchiu gazootsasyvaiushchikh ustanovok [Instruction for mine coal extraction section ventilation schemes usage which have separate methane drainage from gob area using gas pumping installations]. Approved by order of the Federal Service for Ecological, Technological and Nuclear Supervision on December 1, 2011, No. 680.
6. Kozyreva, Ye.N. (2014). Gazovyie potentsialy razrabatyvaiemykh uchastkov uglemetanovykh mestorozhdenii, osobennosti ikh raspredeleniia i realizatsii [Gas potentials of coal-methane reserves sections under development, peculiarities of their distribution and realization]. Vestnik nauchnogo tsentra po bezopasnosti rabot v ugolnoi promyshlennosti - Gerald of the Scientific Center for Safety in Coal Industry, 1, 109-113 [in Russian].
7. Polevshchikov, G.Ya., Kozyreva, Ye.N., & Shinkevich, M.V. (2012). Povysheniie effektivnosti kompleksnogo upravleniia gazovydeleniiem na vyiemochnom uchastke Shakhty [Efficiency increase of complex gas emission control at the mine coal extraction section]. Vestnik nauchnogo tsentra po bezopasnosti rabot v ugolnoi promyshlennosti - Gerald of the Scientific Center for Safety in Coal Industry, 2, 20-27 [in Russian].
8. Zykov, V.S. (2010). Vnezapnyie vybrosy uglia i gaza i drugiie gazodinamicheskiie yavleniia v shakhtakh [Coal and gas sudden outbursts and other gas-dynamic phenomenon in mines]. RASc Siberian Branch, Institute of Coal and Coalchemistry, Kemerovo, 333 p [in Russian].
9. Plaksin, M.S. (2014). Razvitiie metoda avtomatizirovannogo kontrolia gazodinamicheskoi aktivnosti prizaboinoi zony ugolnogo plasta pri provedenii podgotovitelnykh vyrabotok [Coal seam face area gas-dynamic activity
20
automated control method development during preparation openings heading]. Vestnik nauchnogo tsentra po bezopasnosti rabot v ugolnoi promyshlennosti - Gerald of the Scientific Center for Safety in Coal Industry, 2, 23-28 [in Russian].
10. Metodicheskiie rekomendatsii o poriadke degazatsii ugolnykh shakht [Guidelines on the coal mine degassing procedure]. (2007), (RD-15-09-2006), Ser. 05, issue 14/ a group of authors from: "Nauchno-tekhnicheski tsentr po bezopasnosti v promyshlennosti - Scientific-Thechnical Center for Industrial Safety" [in Russian].
11. Oparin, V.N., Tapsiev, A.P., Rozenbaum, M.A., Reva, V.N., Batdiev, B.P., Trop, E. A., & Chanyshev, A.I. (2008). Zonalnaia dezintegratsiia gornykh porod I ustoichevost podzemnykh vyrabotok [Zone disintegration of mine rocks and underground opening stability]. Novosibirsk: RASc Siberian Branch Publishing House, 278 pp.
12. Murashev, V.I., Bulbenko, V.L., & Lopatkin, V.G. (1972). Raschetny metod opredeleniia vybrosoopasnosti podgotovitelnykh i ochistnykh vyrabotok [Calculation method of the preparation and coal extraction openings outburst danger detection]. Sbornik nauchnykh trudov VostNII - VostNII scientific papers collection, 104-110 [in Russian].
13. Klishin, V.I., Zvorygin, L.V., Lebedev, A.V., & Savchenko, A.V. (2011). Problemy bezopasnosti i novyie tekhnologii podzemnoi razrabotki ugolnykh mestorozhdenii [Safety problems and new technologies of underground coal reserves development]. Novosibirsk, 524 pp.
14. Plaksin, M.S., Rodin, R.I., Riabtsev, A.A., Alkov, V.I., Leontieva, Ye.V., & Nepeina, Ye.S. (2015). Gidrorazryv ugolnogo plasta v shakhtnykh usloviiakh kak panatseia resheniia gazovykh problem shakht (osnovy razrabotki i vnedreniia [Coal seam hydraulic breakage in mine condition as panacea of the mine gas problems solution (the development and implementation basis). Ugol - Coal, 2, 48-50 [in Russian]
высокотехнологичное производство с использованием самых современных технологий. Компания разрабатывает, производит и внедряет продукты, применение которых позволяет значительно повысить уровень безопасности труда, промышленной и экологической безопасности, предупредить риски и избежать аварий
® смачиватель-пылеподавитель «ЗАСЛОН» (предназначен для использования в качестве
добавки к воде для повышения улавливания и связывания угольной, углепородной и породной пыли, применяется как при подземной добыче, так и на открытых технологических и погрузочных
комплексах, обогатительных фабриках); ® состав против возгорания угля «СПВУ» (Марка «А» -антипирогенный, его действие направлено на снижение активности реакций на собирующей поверхности полезных ископаемых и увеличение
инкубационного периода самовозгорания полезных ископаемых); ® профилактический состав нового поколения «АОС» для обработки вагонов, транспортных средств против примерзания сыпучих грузов, для ввода в массу для предотвращения смерзания (минимальный расход, экологически и пожаробезопасный, удобен в работе не имеет запаха).
Полный перечень продукции и более подробную информацию можно получить, обратившись по телефонам в г. Кемерово : 8 (3842) 463-453, 64-30-60, e-mail: [email protected]
на правах рекламы
