СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК В ШАХТАХ, ОПАСНЫХ ПО ГАЗУ МЕТАНУ Российский патент 2012 года по МПК E21F5/02 E21C41/18 

В качестве аналога взят патент РФ №2168638 «Способ дегазации высокогазоносных пластов при проходке горных выработок». Класс патента E21F 7/00, номер заявки 99123736/03; дата публикации 10.06.2001; заявитель Кузбасский государственный технический университет; авторы: Дьячков А.И.; Галанин А.Ф.; патентообладатель Кузбасский государственный технический университет.

Решение поставленных задач достигается тем, что согласно способу дегазации высокогазоносных пластов при проходке горных выработок, включающему бурение забойных и барьерных скважин и подключение их к газоотсасывающей системе, сначала проводят передовые выработки, затем из них навстречу проходимым выработкам бурят барьерные и забойные скважины и подключают их к газоотсасывающей системе со стороны передовых выработок, причем барьерные скважины бурят до зоны дренирования массива угля, а забойные скважины бурят в забой проходимых выработок.

Недостатки этого способа:

- проведение передовых выработок для опережающего бурения барьерных и забойных скважин с последующим подключением их к газоотсасывающей системе возможно, но это дополнительные расходы, а с увеличением глубины разработок и месторождения такие передовые выработки становятся также высокогазоносными;

- схема направленного расположения скважин опережающего бурения согласуется с направлением проходимых выработок, а не максимально возможного из них извлечения метана при поперечном пересечении природных трещин, кливажа, исключающих избыточное давление воды в скважинах, для дегазации неразгруженных угольных пластов скважинами, специально пробуренными с целью максимальной эффективности газовыделения из них, требуется время не менее одного года, к сожалению, срок дегазационных скважин, пробуренных при проходке газоносных горных выработок с целью значительного снижения выделения метана в них, весьма ограничен, так как они связаны с подвиганием выработки, следовательно, они малоэффективны.

Настоящий способ проведения горных выработок по газу метану предлагает иной подход к поставленной задаче.

Успешная и стабильная работа шахты, опасной по газу метану, в основном зависит от своевременной подготовки качественного очистного фронта, отвечающего всем вопросам безопасности. Первостепенное значение приобретают вскрывающие и подготавливающие горные выработки, пройденные, прежде всего, по углю или по углю с подрывкой боковых пород. Серьезным ограничением темпов проведения таких подготовительных выработок является метан, выделение которого растет с увеличение скорости подвигания, как в забое, так и с боков проводимой выработки. Речь идет о шахтах с повышенным выделением метана, где в подготовке новых горизонтов и выемочных участков темпы проведения горных выработок становятся первостенными.

В Краснодонецком ш/у, отрабатывавшей пласт m8' с относительной газообильностью 106,5 м³ на m возникла необходимость провести навстречу проходимого сверху вниз по углю с подрывкой породы флангового шурфа №1 большой протяженности, см фиг.1, 2, сбойку снизу вверх по углю под углом 14°, 1. Но буровзрывной способ на сверхкатегорной шахте по газу метану, проведение выработок, тем более по углю снизу вверх по условиям безопасности недопустим, да и сам пласт антрацита, достигающий крепости по шкале проф. Протодъяконова 2-2,5, не оставлял выбора из других известных способов выемки угля в таких условиях.

Среди антрацитовых шахт ОАО «Ростовуголь» антрацит в Краснодонецком ш/у был одним из самых крепких, что не позволяло применить в лавах для выемки угля струговые установки, так как рабочий орган струга не мог скалывать уголь такой крепости.

В результате было принято решение, в которое мало кто верил, впервые проходить такую выработку, 1, с выемкой угля отбойными молотками после предварительно опережающего увлажнения. В центре забоя выработки с параметрами 2×1,4 м бурился шпур, 4, глубиной 2,5 м и производилось нагнетание воды в пласт, используемой из реки Северский Донец, по своим качественным показателям близкой к питьевой, под давлением 110 атм в течение 1-1,1 часа до тех пор, пока давление резко падало. См. фиг.1. За период нагнетания воды в пласт слышался множественный треск разной громкости, сопровождаемый периодическими глухими ударами. В забой поступало 300 м³/мин воздуха, нагнетаемого ВМП, содержание метана не превышало допустимых норм ПБ. После окончания нагнетания воды в пласт и образования общей зоны увлажнения, 5, двое рабочих очистного забоя производили выемку угля отбойными молотками с подвиганием забоя на два метра до конца смены, 6. В следующей смене цикл повторялся. После окончания выемки угля, периодически из забоя бурились шпуры в бока выработки для определения ширины зоны увлажнения, 7. Она составляла 1-1,2 м, - 3 после чего, переходя в неувлажненный антрацит, сопротивление бурению резко возрастало с заметным увеличением выделения метана из пробуренного шпура. За сутки проходилось восемь метров, а за месяц до сбойки было пройдено 182 м выработки по углю. Эксперимент удался.

За весь период проведения этой выработки не произошло ни одного случая превышения содержания метана по сравнению с допустимыми нормами ПБ. См. газовую съемку, фиг.2, где пунктиром показано местное скопление метана, сплошной линией - содержание метана на исходящей выработке, 8 - период бурения шпура для нагнетания, 9 - период нагнетания воды, 10 - период выемки отбойными молотками в смене.

В то же время шурф №1-2, проходился сверху вниз буровзрывным способом с раздельной выемкой угля и породы. Проветривание осуществлялось вентиляторами местного проветривания с подачей 300 м³ в мин воздуха в забой шурфа. Когда до сбойки шурфа со сбойкой по углю, проводимой снизу вверх, оставалось менее 100 м., после каждого взрывания по углю в шурфе трижды проводились газовые съемки. См. фиг.3, 11, 12, 13. Объемы выделяемого метана после взрыва по углю, достигающие критических значений, очевидны.

При нагнетании воды в пласт произошли физические и химические реакции. Физическая реакция действует при нагнетании воды в пласт под большим давлением, разрушая связи в угле, значительно снижая его крепость, с вероятным образованием мельчайших частиц - макро-, микро- и наночастиц.

На основании последних исследований нанотехнологий доказано, что нейтральные твердые вещества, в нашем случае антрацит, при разрушении до мельчайших частиц в сочетании со средой, в данном случае с водой, приобретают новые свойства - вязкости - и вступают в химическую связь с веществами, присутствующими в угле [1], [2].

В угле содержится ряд элементов, оксидов, сложных по составу частиц, называемых комплексами. При соединении с водой H₂O наиболее распространенные основные оксиды СаО и MgO образуют гидроксид кальция:

СаО+H₂O=Са(ОН)₂

и гидроксид магния:

MgO+H₂O=Mg(OH)₂ [3, стр.391, 392],

которые вместе с мельчайшими частицами угля, изменившими свои свойства, их соединениями и со сложными веществами заполняют макро-, микро- и нанотрещины в угле, препятствуя выделению метана. В результате после нагнетания воды в пласт из забоя выработки образовались зоны, как впереди забоя, так и со стороны боков выработки, преграждая путь активному выделению метана, см. фиг.1.

Таким образом, в результате физических и химических реакций вода является весьма реакционно-способным веществом. Оксиды многих металлов и неметаллов соединяются с водой, образуя основания и кислоты; некоторые соли образуют с водой кристаллогидраты, наиболее активные металлы взаимодействуют с водой с выделением водорода [3, стр.215].

Содержание и количество элементов и соединений с ними в разных угольных месторождениях различно в зависимости от их метаморфизма (от греч. metamorphoomai - подвергались превращению). Эти превращения происходят в течение десятков и сотен миллионов лет в условиях отсутствия кислорода, высоких давлений и температур в глубинах земной коры, куда органические вещества попадают вместе с другими породами в результате тектонических процессов.

Условия образования углей из органических веществ различаются. Они существуют в торфяных болотах, донных осадков озер, морских лагун [4, стр.54].

Содержание соединений многих элементов в угле, образовавшемся в морских лагунах, такое же, как и в морской воде в растворенном состоянии, наибольшее количество которых приходится на Cl, Na, Mg, S, Са, K, С, Br, В, Sr, F, N, Li, Rb, P, I, Fe, Zn, Mo. В каждом килограмме морской воды содержится более 19 г хлора, более 1 г магния и т.д., в среднем 35 г различных солей [3, стр.215].

Очевидно, что содержание соединений многих элементов в угле, образовавшемся в торфяных болотах или в донных осадках озер, могут существенно отличаться от образовавшегося в морских лагунах.

В связи с тем, что многие элементы, соединения с ними при образовании угля в разных горно-геологических периодах и различных условиях могут значительно отличаться, желательно в каждом разрабатываемом пласте угля, его пачках производить лабораторный анализ с целью точного выявления этих элементов и соединений с ними.

Полученная информация позволит более грамотно составлять проект проведения газоносной выработки, где с целью обеспечения ее максимально допустимой скорости проведения в пределах норм ПБ содержания выделяемого метана с забоя и боков выработки, практически варьируя схемами расположения скважин в забое для нагнетания воды в пласт, их длиной, равной циклу подвигания забоя за смену или за сутки, давлением при нагнетании воды в пласт, временем нагнетания, в конечном итоге установить оптимальный вариант параметров максимального снижения выделяемого метана при проведении выработки. Со временем, имея накопленный опыт, статистику параметров, обеспечивающих максимальное снижение выделения метана, можно будет выявить закономерность влияния этих параметров на снижение выделяемого метана и математическим путем определять их оптимальное значение.

Важное значение имеет работа проходческого комбайна, добывающего горную массу, которая должна состоять в основном из крупных фракций угля, несущих в себе метан из забоя в транспортные выработки шахты и далее на поверхность. Это достигается умелым подбором схемы резания и скалывания рабочим органом комбайна угольного забоя. Свое участие в решении этой задачи могли бы внести и конструкторы проходческих комбайнов.

Бурение скважин по углю в газоносных подготовительных выработках с последующим его увлажнением - это кажущиеся дополнительные расходы. Они окупятся с лихвой, если дело будет поставлено так, что в конечном итоге в результате увеличения скоростей подвигания выработок будут своевременно подготавливаться новые горизонты, выемочные участки с лавами, не допуская разрыва в подготовке, где значительное время требуется для комплексной дегазации выемочного участка, в том числе дегазации неразгруженных пластов, осуществляемых с большей эффективностью с пройденных выработок. В результате произойдет увеличение нагрузки на лаву, а это путь к концентрации горных работ, увеличению нагрузки на шахту, основному фактору, определяющему рост экономики.

Осуществление изобретения

Газовая съемка проводимой выработки по углю снизу вверх с выемкой угля отбойными молотками после предварительного увлажнения пласта с позиции современных вышеизложенных знаний дает объяснение снижению газовыделения и позволило выявить резервы увеличения скорости проведения газоносных выработок в связи с возросшей механизацией их проведения. В качестве примера изображена такая выработка на фиг.4, где 14 - выработка по пласту угля с повышенным газовыделением; 15 - скважины на очередной цикл выемки угля; 16 - зоны увлажения боков выработки по углю; 17 - общая зона увлажнения впереди выработки на очередной цикл выемки по углю; 18 - выемка угля за цикл; 19 - контрольные шпуры, определяющие ширину зоны увлажнения.

Перед началом реализации предложенного способа проведения газоносной выработки по углю или по углю с подрывкой боковых пород следует произвести следующую подготовку и действие.

1. Сделать лабораторный анализ пласта и его пачек с целью выявления наличия в них элементов, оксидов и других веществ, способных образовывать новые соединения с поступлением воды.

2. Выявить природную трещиноватость, кливаж в пласте угля.

3. Подготовить средства для бурения скважин по углю, нагнетательные установки с замерами давления и расхода воды, подвод воды, желательно питьевого качества, приборы эпизодического и постоянного замера метана, контроля количества поступающего в забой воздуха

4. Пробурить скважины из забоя по углю, равному циклу подвигания выработки плюс 1 м.

5. Произвести нагнетание воды в пласт с непрерывными замерами метана, давлением воды, времени нагнетания.

6. На величину увлажняемого пласта пройти выработку со скоростью, не превышающей выделение метана в пределах допустимых норм ПБ.

7. В зоне увлажнения пласта в бока выработки на каждом цикле пробуривают пшуры с целью выявления ширины зоны увлажнения, являющейся барьером активному выделению метана: по наличию выхода увлажненного штыба со шпура, до начала увеличения крепости угля, до момента выхода метана из шпура.

8. В дальнейшем при проведении выработки, варьируя параметрами, связанными с нагнетанием воды в пласт, максимальным снижением выделяемого метана, найти оптимальный вариант исполнения предлагаемого способа проведения выработки с повышенным газовыделением.

Если в дальнейшем этот способ проведения выработок с повышенным газовыделением серьезно объединить в научно-производственную базу для изучения и распространения, то можно достигнуть устойчивых темпов проведения выработок с повышенным газовыделением до 600-1000 м/мес, что позволит обеспечить своевременную подготовку новых горизонтов, выемочных участков и развития шахты в целом.

Литература

1. Интернет «Опасность нанотехнологий. Реальны ли угрозы». Опубликовано Svilinenko, 26 октября, 2009.

2. Интернет «Самые распространенные наночастицы опасны для здоровья». Опубликовано empirrv, 24 ноября, 2009.

3. Глинка Н.Л. «Общая химия», Москва. «Интеграл-пресс», 2008.

4. Кизильштейн Л. «Солнечный камень», ж. «Наука и жизнь» №8, 2010.

Способ относится к области горного дела и может быть применен при проведении горных выработок в шахтах, опасных по газу метану. Способ заключается в том, что предварительно делают лабораторный анализ угля из пласта и его пачек для выявления наличия в них элементов и веществ, способных образовывать соединения с водой; выявляют природную трещиноватость, кливаж в пласте угля; бурят скважины из забоя по углю, длиной большей на 1 м цикла подвигания выработки; производят нагнетание воды в пласт с непрерывными замерами метана, давления воды, времени нагнетания; проходят выработку на величину увлажняемого пласта со скоростью, не превышающей выделение метана в пределах допустимых норм; в зоне увлажнения пласта в бока выработки на каждом цикле бурят шпуры для выявления ширины зоны увлажнения. При проведении выработки, варьируют параметры, связанные с нагнетанием воды в пласт, максимальным снижением выделяемого метана, оптимизируя проведение выработки. Технический результат заключается в повышении эффективности отработки газоносных угольных пластов. 4 ил.

Способ проведения горных выработок в шахтах, опасных по газу метану, с целью увеличения темпов их подвигания для более эффективной отработки газоносных угольных пластов, отличающийся тем, что предварительно делают лабораторный анализ угля из пласта и его пачек для выявления в них элементов и веществ, способных образовывать новые соединения при поступлении воды; выявляют природную трещиноватость пласта и кливаж в нем; из забоя по углю бурят скважины длиной больше на 1 метр цикла подвигания выработки; производят нагнетание воды в пласт с непрерывными замерами метана, давления воды, времени нагнетания; проходят выработку на величину увлажняемого пласта со скоростью, не превышающей выделение метана в пределах допустимых норм безопасности; в зоне увлажнения пласта в бока выработки периодически на каждом цикле бурят шпуры для выявления ширины зоны увлажнения, являющейся барьером активному выделению метана, по наличию выхода увлажненного штыба из шпура, до начала увеличения крепости угля и до момента повышения выхода метана из шпура; в дальнейшем при проведении выработки, варьируя параметрами, связанными с нагнетанием воды, максимальным снижением выделяемого метана, находят оптимальный вариант исполнения способа проведения выработок с повышенным газовыделением.