СПОСОБ ВЫЕМКИ ВЫБРОСООПАСНЫХ СОЛЯНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД Российский патент 2001 года по МПК E21C41/20 E21F5/00 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при подземном способе отработки выбросоопасных соляных горных пород, сложенных гигроскопичными водорастворимыми минералами.

Известен способ выемки выбросоопасных пластов по авт. свид. СССР N 1488520, кл. E 21 F 5/00, E 21 C 41/00, 1987, предусматривающий предварительное формирование в вертикальной плоскости кровли пласта опережающей дегазационно-разгрузочной полости, выемку пласта с одновременным формированием позади забоя выработки разгрузочной щели.

Недостатками способа являются сложность формирования опережающей дегазационно-разгрузочной полости, невозможность предотвращения внезапных выбросов горных пород и газа со стороны почвы и боков выработки, нежелательный привнос в выработку штыба пустой породы, образующегося при формировании дегазационно-разгрузочной полости и разгрузочной щели.

Известен способ выемки выбросоопасных пластов, сложенных гигроскопичными водорастворимыми минералами, с предварительным нагнетанием в пласт растворителя - воды, принят за прототип (И.И. Медведев и Г.Д. Полянина. Газовыделения на калийных рудниках, М.: Недра, 1974, с. 157 - 160).

Недостатками способа являются: высокая трудоемкость работ, связанных с влагообработкой горного массива; переувлажненность и размыв горных пород обрабатываемой части горного массива, что приводит к ухудшению устойчивости проводимой горной выработки и слеживаемости образовавшихся в процессе выемки отдельностей горной массы; увеличение проходческого цикла в связи с последовательным характером выполнения профилактических работ, связанных с нагнетанием воды в пласт, и работ по непосредственной выемке пласта.

Изобретение направлено на решение задачи по повышению безопасности, экономичности и технологичности ведения горных работ при выемке выбросоопасных соляных горных пород.

Решение данной задачи опосредовано новым техническим результатом, заключающимся в создании в объеме проводимой горной выработки микроклимата с параметрами, обуславливающими динамическое естественное покрытие свежеобразованных в процессе выемки соляных горных пород и деформирования вмещающего проводимую горную выработку соляного массива, электрически заряженных трещин, имеющих аэродинамическую связь с объемом проводимой выработки, пленкой соляного насыщенного раствора, нейтрализующего электрический потенциал до момента контакта с этими поверхностями природных горючих газов, жидкостей и окислителя.

Существенные признаки заявленного технического решения:
ограничительные - воздействия на соляной массив, вмещающий горную выработку, растворителем и выемка соляных горных пород, подвергнутых воздействию растворителем;
отличительные - выемку соляных горных пород ведут одновременно с воздействием на соляной массив, вмещающий горную выработку, на свежеобразованные в процессе выемки ограждающие горную выработку поверхности, на отдельности горной массы, образующейся в процессе выемки, растворитель, в качестве которого используют пары воды, которые подают в проводимую горную выработку вместе с вентиляционным воздухом в количестве, обеспечивающем покрытие пленкой насыщенного соляного раствора свежеобразованных в процессе выемки соляных, ограждающих горную выработку, поверхностей, соляных поверхностей отдельностей горной массы, свежеобразованной в процессе выемки горных пород и свежеобразованных в процессе деформирования вмещающего горную выработку массива, поверхностей трещин, имеющих аэродинамическую связь с объемом проводимой горной выработки; для этого перед выемкой выбросоопасных соляных горных пород определяют расход (G_BB), мм³/мин, температуру (T), K, относительную влажность (f_BB), x, вентиляционного воздуха, поступающего в забой проводимой горной выработки, и относительную влажность воздуха, исходящего из призабойной зоны проводимой горной выработки (f_исх), %, устанавливают интенсивность отделения горных пород от массива при выемке (A), т/мин, рассчитывают величину оптимальной относительной влажности вентиляционного воздуха (f_опт.), используя выражение:

где W - приведенный к единице массы горных пород, отделяемых от соляного массива в процессе выемки, расход паров воды, достаточный для покрытий пленкой насыщенного соляного раствора свежеобразованных в процессе выемки соляных, ограждающих горную выработку поверхностей, и поверхностей отдельностей горной массы, свежеобразованной в процессе выемки горных пород, кг/т;
E - давление насыщенных паров воды при температуре вентиляционного воздуха, гПа;
f_гиг - относительная влажность воздуха, соответствующая порогу гигроскопичности минерала, образующего соляную горную породу и обладающего максимальным значением величины порога гигроскопичности, по отношению к другим породообразующим минералам.

Полученное ее значение сравнивают с величиной относительной влажности вентиляционного воздуха, в случае, если значение f_опт окажется больше величины f_BB, то забираемый для проветривания горной выработки свежий воздух увлажняют до приобретения вентиляционным воздухом относительной влажности, равной f_опт, далее величину относительной влажности воздуха, исходящего из призабойной части проводимой горной выработки, сравнивают с f_гиг, в случае, если величина f_исх окажется меньше величины f_гиг, то значение величины оптимальной относительной влажности вентиляционного воздуха увеличивают на величину, равную разности между f_гиг и f_исх, и забираемый для проветривания горной выработки свежий воздух доувлажняют до приобретения вентиляционным воздухом влажности, равной новому значению величины оптимальной относительной влажности вентиляционного воздуха. После этого приступают к выемке выбросоопасных соляных горных пород с одновременной подачей в забой проводимой горной выработки кондиционного воздуха при текущем контролировании и регулировании его параметров.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков и ожидаемым техническим результатом заключается в следующем.

В результате исследований установлено, что механизм внезапных выбросов соли и газов связаны с наличием в массиве соляных горных пород зон с повышенным внутренним напряженным состоянием; с образованием в массиве горных пород, вмещающем горную выработку, упругих полей напряжений растяжения, обусловленных проявлением горного давления; с локальным перенапряжением горных пород и тепловыми флуктуациями; зарождением и ростом быстробегущих (со скоростью звука) макротрещин, при хрупком разрушении соляных горных пород; с возникновением в вершинах быстробегущих трещин местного разогрева горных пород (до 1000^oC); с электризацией поверхности расхода и высвобождением потенциальной энергии в виде эмиссии электронов высокой энергии (порядка 40 - 100 кЭВ); с каталитическим воздействием свежеобразованных (ювенильных) поверхностей трещин на процессе окисления (горения и взрыва) горючих газов (водород, метан, этан, пропан, гексан, пентан, сероводород) и битумов.

По предлагаемому изобретению пары воды подают в объем проводимой выработки вместе с вентиляционным воздухом в таком количестве, чтобы обеспечить динамическое естественное (за счет гигроскопических и депрессионных сил) покрытие пленкой насыщенного соляного раствора всех свежеобразуемых соляных поверхностей. Во-первых, это свежеобразуемые в процессе выемки соляных горных пород соляные, ограждающие горные выработки, поверхности: во-вторых, это соляные поверхности отдельностей горной массы, образуемой в процессе выемки соляных горных пород; в-третьих, это свежеобразуемые в процессе деформирования горного массива, вмещающего проводимую горную выработку, поверхности трещин, имеющих аэродинамическую связь с объемом проводимой выработки. Собственно говоря, покрытие последних свежеобразуемых поверхностей пленкой насыщенного соляного раствора и исключает возникновение воспламенений и взрывов природных газов и жидкостей, определяющих возникновение и интенсивность развития внезапных выбросов соли и газов. Покрытие других видов свежеобразующихся соляных поверхностей пленкой насыщенного соляного раствора носит необходимый сопутствующий характер, способствует достижению побочных эффектов: пыле-, газоподавление, компенсация иссушающего действия солей на организм работающих в проводимой горной выработке.

Экспериментально установлено, что в сравнении с рудничными газами пары воды обладают исключительно высокой физикохимической активностью и практически мгновенно (этому способствует разрежение, возникающее при разрыве сплошности - трещинообразовании) вступает во взаимодействие с ионами кристаллических решеток соляных минералов; при концентрации паров воды, соответствующей порогу гигроскопичности солей, покрывают свежеобразованные поверхности трещин пленкой насыщенного соляного раствора, компенсируя энергетический потенциал ювенильных поверхностей и нейтрализуя их активные точки и зоны, предотвращая контакт с ними легковоспламеняющих газов, жидкостей и окислителя.

Установлено, что для породообразующего минерала сильвина (KCl) порог гигроскопичности при 10^oC соответствует относительной влажности воздуха 87,6%, для гашита (NaCl - 76,2%, для межзеренного пространства (KCl - NaCl) - 74,3% и т.д. Кроме того, соляной раствор, обладая высокой теплопроводностью, охлаждает поверхности микротрещин до температуры, исключающей активацию молекул горючих газов; взаимодействие конденсирующихся на поверхностях трещин паров воды с ионами соляных минералов стимулирует возрастание числа дефектов кристаллических решеток (дислокации), что приводит к снижению упругих свойств горных пород и одновременному увеличению их пластичности и деформируемости, к разрушению вершин трещин и, как следствие, к снижению концентрации напряжения и поглощению подводимой от деформируемого массива горных пород упругой энергии, способствует предупреждению внезапных выбросов соли и газов.

На чертеже показана схема выемки выбросоопасных соляных горных пород.

Способ выемки выбросоопасных соляных горных пород осуществляется следующим образом.

Первоначально, в воздухоподающей горной выработке 1, на свежей струе, устанавливают передвижной пункт 2 местного доувлажнения воздуха, который через вентилятор местного проветривания 3 подключают к вентиляционному трубопроводу 4. Автоматизированную установку доувлажнения воздуха, регуляторы, исполнительные механизмы и микропроцессор передвижного пункта 2 приводят в электронную связь с датчиком расхода 5, датчиком температуры 6 и датчиком относительной влажности 7 вентиляционного воздуха, подаваемого в проводимую горную выработку 8 по вентиляционному трубопроводу 4, и датчиком 9 относительно влажности воздуха, исходящего из призабойной части горной выработки 8.

Выемку выбросоопасных горных пород 10 производят с помощью проходческо-очистного комбайна 11, бункера-перегружателя 12 и самоходного вагона (на чертеже не показан) одновременно с воздействием растворителем на соляной массив 10, вмещающий горную выработку 8; на свежеобразованные в процессе выемки ограждающие горную выработку 8 поверхности 13; на отдельности горной массы 14, образующейся в процессе выемки. В качестве растворителя используют пары воды, которые подают в проводимую горную выработку 8 вместе с вентиляционным воздухом в количестве, обеспечивающем покрытие пленкой насыщенного соляного раствора свежеобразованных, в процессе выемки соляных, ограждающих горную выработку 8, поверхностей 13; соляных поверхностей отдельностей горной массы 14, свежеобразованной в процессе выемки горных пород; и свежеобразованных в процессе деформирования вмещающего горную выработку 8 соляного массива 10, поверхностей трещин 15, имеющих аэродинамическую связь с объемом проводимой горной выработки 8. Перед выемкой выбросоопасных соляных горных пород в микропроцессор передвижного пункта 2 местного доувлажнения воздуха вводят алгоритм для определения величины оптимальной относительной влажности вентиляционного воздуха и выполнения логических операций, данные о приведенной к единице массы горных пород 10, отделяемых от массива в процессе выемки, расходе воды, достаточном для создания условий для покрытия пленкой насыщенного раствора свежеобразованных в процессе выемки соляных, ограждающих горную выработку 8, поверхностей 13 и соляных поверхностей отдельностей горной массы 14, образованной в процессе выемки горных пород 10 (W), кг/т; интенсивности отделения горных пород 10 от массива при выемке (A), т/мин; давления насыщенных паров воды при температуре вентиляционного воздуха (E) гПа; относительной влажности воздуха, соответствующей порогу гигроскопичности минерала, образующего соляную горную породу 10 и обладающего максимальным значением величины порога гигроскопичности по отношению к другим породообразующим минералом (f_гиг),%; в закодированном виде обеспечивается непрерывное поступление показаний датчика 5 - расхода вентиляционного воздуха (Q_BB), м³/мин; датчика 6 - температуры вентиляционного воздуха (T), K; датчика 7 - относительной влажности вентиляционого воздуха (f_BB), % и датчика 9 - относительной влажности воздуха, исходящего из призабойной части горной выработки 8 (f_исх), %. Для определения оптимальной относительной влажности вентиляционного воздуха (f_опт) используют выражение:

Расчетное значение оптимальной относительной влажности вентиляционного воздуха в микропроцессоре сравнивается с величиной относительной влажности воздуха, поступающего в проводимую горную выработку 8. В случае, если величина f_опт окажется больше величины f_BB, то подается команда исполнительным механизмам и забираемый для проветривания горной выработки 8 свежий воздух увлажняется до приобретения вентиляционным воздухом относительной влажности f_опт. После этого производится сравнение величины относительной влажности воздуха, исходящего из призабойной части проводимой горной выработки 8, с f_гиг. В случае, если величина f_исх окажется меньше величины f_гиг, то значение величины оптимальной относительной влажности воздуха увеличивается на величину, равную разнице между f_гиг и f_исх, и подается команда на доувлажнение забираемого для проветривания горной выработки 8 свежего воздуха до приобретения вентиляционным воздухом влажности, равной новому значению величины оптимальной относительной влажности вентиляционного воздуха. При достижении равенства между f_исх и f_гиг приступают к выемке выбросоопасных соляных горных пород с одновременной подачей в забой проводимой горной выработки 8 кондиционного воздуха при текущем контролировании и регулировании его параметров.

Пример конкретного выполнения способа.

Выемка выбросоопасного калийного пласта ведется с применением проходческо-очистного комбайна Урал-10 кс. Для проветривания выработки и подачи необходимого количества паров воды для предотвращения внезапных выбросов соли и газов используют вентилятор СВМ-6м, соединенный одним концом с трубопроводом типа М, диаметром 600 мм, а другим - с передвижным пунктом местного доувлажнения вентиляционного воздуха. В конструкции передвижного пункта местного доувлажнения воздуха используется автоматическая установка доувлажнения типа "Туман" с электрическими исполнительными механизмами, укомплектованная датчиками расхода, температуры, влажности воздуха и микропроцессором. При приведенном расходе паров воды (W), равном 0,1 кг/т, определяется экспериментально в шахтных условиях; интенсивности отделения соляных горных пород от массива при выемке комбайнов 3 т/мин; температуре вентиляционного воздуха (T), равной 283 K; давлении насыщенных паров воды (E) при температуре 283 K, равном 12,25 гПа; расходе вентиляционного воздуха (G_BB), равном 280 м³/мин; относительной влажности воздуха (f_гиг), соответствующей порогу гигроскопичности пороодообразующего минерала - сильвина, 87,6% оптимальная относительная влажность вентиляционного воздуха, определенная из выражения:

составит 98,6%. Тогда, при величине относительной влажности свежего воздуха 45%, что характерно для калийных рудников в зимний период на расстоянии до 2 км от воздухоподающего ствола, для доувлажнения вентиляционного воздуха в течение семичасовой рабочей смены потребуется 591,2 кг воды.

При применении предложенного способа выемки выбросоопасных соляных горных пород полностью исключаются внезапные выбросы соли и газов и тем самым повышаются безопасность и эффективность ведения горных работ.

Способ позволяет довести уровень запыленности воздуха на рабочем месте машиниста проходческо-очистного комбайна до предельно допустимых концентраций (10 мг/м³), в настоящее время фактическая запыленность воздуха превышает предельно допустимые уровни в десятки и сотни раз. Исключаются простои высокопроизводительного добычного оборудования, связанные с выполнением профилактических мероприятий до предупреждения внезапных выбросов соли и газов. Обеспечиваются подавление продуктов распада радиоактивных газов, торона и радона, компенсация иссушающего действия на организм работающих градиента давления паров воды, обусловленного высокой гигроскопичностью природных минеральных солей.

Способ может быть использован в горном деле при подземном способе отработки выбросоопасных соляных горных пород, сложенных гигроскопическими водорастворимыми минералами. Изобретение решает задачу повышения безопасности, экономичности и технологичности ведения горных пород при выемке выбросоопасных соляных горных пород путем создания условий для динамического естественного покрытия свежеобразованных поверхностей трещин, образующих в деформируемом, вмещающем проводимую горную выработку в соляном массиве, и имеющих аэродинамическую связь с объемом выработки, пленкой насыщенного соляного раствора. Выемку соляных горных пород ведут одновременно с воздействием растворителем на соляной массив, вмещающий горную выработку, на свежеобразованные в процессе выемки ограждающие горную выработку поверхности, на отдельности горной массы, образующейся в процессе выемки. В качестве растворителя используют пары воды, которые подают в проводимую горную выработку вместе с вентиляционным воздухом в количестве, обеспечивающем покрытие пленкой насыщенного соляного раствора свежеобразованных поверхностей, соляных поверхностей отдельностей горной массы и поверхностей трещин, имеющих аэродинамическую связь с объемом проводимой горной выработки. 1 ил.

Способ выемки выбросоопасных соляных горных пород, включающий воздействие на соляной массив, вмещающий горную выработку, растворителем и выемку соляных горных пород, подвергнутых воздействию растворителем, отличающийся тем, что выемку соляных горных пород ведут одновременно с воздействием на соляной массив, вмещающий горную выработку, на свежеобразованные в процессе выемки ограждающие горную выработку поверхности, на отдельности горной массы, образующейся в процессе выемки, растворителем, в качестве которого используют пары воды, которые подают в проводимую горную выработку вместе с вентиляционным воздухом в количестве, обеспечивающем покрытие пленкой насыщенного соляного раствора свежеобразованных в процессе выемки соляных, ограждающих горную выработку, поверхностей, соляных поверхностей отдельностей горной массы, свежеобразованной в процессе выемки горных пород, и свежеобразованных в процессе деформирования вмещающего горную выработку массива поверхностей трещин, имеющих аэродинамическую связь с объемом проводимой горной выработки, для этого перед выемкой выбросоопасных соляных горных пород определяют расход Q вв, м³/мин, температуру T, K, относительную влажность f_вв, %, вентиляционного воздуха, поступающего в забой проводимой горной выработки, и относительную влажность воздуха, исходящего из призабойной зоны проводимой горной выработки f_исх, %, устанавливают интенсивность отделения горных пород от массива при выемке A, т/мин, рассчитывают величину оптимальной относительной влажности вентиляционного воздуха f_опт, используют выражение

где W - приведенный к единице массы горных пород, отделяемых от соляного массива в процессе выемки, расход паров воды, достаточный для покрытия пленкой насыщенного соляного раствора свежеобразованных в процессе выемки соляных ограждающих горную выработку поверхностей и поверхностей отдельностей горной массы, свежеобразованной в процессе выемки горных пород, кг/т;
E - давление насыщенных паров воды при температуре вентиляционного воздуха, гПа;
f_гиг - относительная влажность воздуха, соответствующая порогу гигроскопичности минерала, образующего соляную горную породу и обладающего максимальным значением величины порога гигроскопичности, по отношению к другим породообразующим минералам,
полученное ее значение сравнивают с величиной относительной влажности вентиляционного воздуха, в случае, если величина f_опт окажется больше величины f_вв, то забираемый для проветривания горной выработки свежий воздух доувлажняют до приобретения вентиляционным воздухом относительной влажности, равной f_опт, далее величину относительной влажности воздуха, исходящего из призабойной части проводимой горной выработки, сравнивают с f_гиг, в случае, если величина f_исх окажется меньше величины f_гиг, то значение величины оптимальной относительной влажности вентиляционного воздуха увеличивают на величину, равную разности между f_гиг и f_исх, забираемый для проветривания горной выработки свежий воздух доувлажняют до приобретения вентиляционным воздухом влажности, равной новому значению величины, оптимальной относительно влажности вентиляционного воздуха, после этого приступают к выемке выбросоопасных соляных пород с одновременной подачей в забой проводимой горной выработки кондиционного воздуха, при текущем контролировании и регулировании его параметров.