Общие сведения
Для обеспечения безопасных условий труда на этих пластах должны применяться: прогноз выбросоопасности; специальные спосо- бы предупреждения внезапных выбросов; технологические мероприя- тия, снижающие выбросоопасность; мероприятия, повышающие безо- пасность труда на выбросоопасных пластах:
1) производство работ при отсутствии людей в призабойном пространстве (сотрясательное взрывание, бурение шпуров механизма- ми с дистанционным включением и выключением и др.).
2) сооружение перемычек, щитов, камер для зашиты от механи- ческого воздействия выбросов;
3) обеспечение работающих изолирующими самоспасателями, индивидуальными и групповыми отводами сжатого воздуха или бал- лонами со сжатым воздухом;
4) устройство выходов, обеспечивающих быстрое удаление из опасной зоны;
5) обеспечение мест работы надежной двухсторонней связью;
6) обеспечение участков приборами и оборудованием, повы- шающими безопасность применения электроэнергии;
7) применение рациональных схем вентиляции.
23.2 Прогноз выбросоопасности
Если прогнозируется месторождение, то это региональный про- гноз; если угольные шахтопласты – локальный; если прогнозируются выбросоопасные зоны – текущий прогноз.
Региональный и локальный прогнозы позволяют по строению месторождения, глубине, газоносности отнести пласты, шахтные поля к угрожаемым или не опасным.
Так, если в пределах шахтного поля есть разрывные нарушения, закрытые антиклинальные или синклинальные складки, крылья кото- рых не имеют выхода на современную или существовавшую в преж- ние геологические эпохи земную поверхность, при газоносности угля более 10 м3/т угля, тогда предполагают опасность выбросов угля и газа.
Текущий прогноз применяют на пластах, склонных к внезапным выбросам, для установления выбросоопасных зон. По степени выбро- соопасности в пласте можно выделить три зоны: неопасная с размера- ми до нескольких км; переходная – 6–40 м; выбросоопасная – 10–100 м и более.
Выбросоопасные зоны могут быть своевременно обнаружены текущим прогнозом. Это снижает опасность, а с другой стороны, улучшает технико-экономические показатели работы на опасных пла- стах, так как работы по предотвращению выбросов в неопасных зонах не ведут при текущем прогнозе.
Сначала осуществляются разведочные наблюдения на участках длиной 8–12 м в очистных выработках и проводятся противовыброс- ные мероприятия. По трем линиям: вверху, внизу и посредине лавы измеряют: коэффициент крепости угля, изменение мощности пласта по
простиранию и по падению, скорость газовыделения. Критерии не- опасной зоны следующие: fср меньше 0,8 условной единицы; коэффи- циент вариации мощности пласта меньше или равен 10%; коэффици- ент вариации мощности пласта по падению также меньше или равен 10%; коэффициент вариации крепости угля меньше или равен 20%; начальная скорость газовыделения меньше 3,5–5 л/мин. Если эти усло- вия выполняются тогда переходят к текущему прогнозу. На рисунке
23.1 приведены схема расположения шпуров. Текущий прогноз заклю- чается в определении начальной скорости газовыделения через шпуры, пробуренные из забоя лавы длиной 3,5 м и на расстоянии 10 м друг от друга. Схема герметизации шпура показана на рисунке 23.2. Пo этим же линиям (через 10 м) определяют мощность пласта. При начальной скорости газовыделения более 3,5–5 л/мин забой вошел в переходную зону. Начинают применять противовыбросные мероприятия. Текущий прогноз возобновляется только после контрольных наблюдений. По- водом для контрольных наблюдений может быть уход забоя более чем на 25 м от геологического нарушения, спокойное поведение пласта, прекращение зажатия бурового инструмента. Контрольные наблюде- ния проводятся по методике разведочных наблюдений, но три линии наблюдения ведутся не по всей лаве, а в опасной зоне.
Используют приборы ПГ–2МА для измерения начальной скоро- сти газовыделения, прибор для измерения крепости угля.
Применяют и другие методы прогноза: в частности, путем из- мерения сопротивления угля – если логарифм удельного сопротивле- ния меньше 3,3, пласт считается не опасным; применяют сейсмоакустиче- ский прогноз, когда прослушивается участок пласта с помощью геофонов.
а) б)
1
10м
Рисунок 23.1 – Расположение шпуров при прогнозе выбросо- опасных зон: разведочные наблюдения (а); те- кущий прогноз (б); 1 – шпур
газовый затвор
d=42- 43мм
ПГ-2М
3,5
0,5
Рисунок 23.2 – Схема герметизации шпура
23.3 Специальные способы предупреждения внезапных выбросов угля и газа
Способы подразделяются на:
– региональные: опережающая отработка защитных пластов; за- благовременная дегазация массива скважинами; гидравлическое воз- действие на пласт впереди очистного забоя (увлажнение); физико- химическое воздействие; микробиологическое;
– локальные: гидравлическое рыхление; гидроотжим; гидровы- мыв полостей, щелей; применение разгрузочных щелей, пазов; бурение опережающих скважин; взрывное рыхление (торпедирование, камуф- летное, сотрясательное взрывание); применение опережающей крепи.
Цель мероприятий – перенести опорное давление в глубь масси- ва. Локальные мероприятия применяют в сложных горно- геологических условиях, когда нельзя применять региональные способы.
23.3.1 Опережающая отработка защитных пластов
При отработке лавы образуется ряд зон с различным напряже- нием пород: зона разгрузки – часть области влияния лавы, где напря- жения меньше гидростатических. Эта зона оконтурена двумя полуэл- липсами; защищенная зона, в которой напряжения меньше, чем в не- тронутом массиве на критической (безопасной) глубине. В этих зонах не отмечаются динамические явления. Сущность защитного действия заключается в частичной разгрузке опасного пласта от первоначально действующих в нем напряжений. На границы и степень защитного действия влияют различные факторы: ширина очистной выработки,
соотношение ее размеров в плане, угол падения и мощность пласта, глубина разработки, строение подрабатываемой толщи и свойства сла- гающих ее пород.
С уменьшением мощности пласта точки восстановления нагру- зок на почву выработки резко приближаются к забою и уже при глу- бине работ 600 м и ширине выработки менее 250 м критическая мощ- ность менее 0,7м.
Критерии защищенности: давление газа меньше критического (0,3-1) МПа; напряжения меньше напряжений на критической или безопасной глубине. Таким образом, не обязательно, чтобы давление газа снизилось уже при отработке защитного пласта, а достаточно, чтобы уменьшились напряжения, увеличилась проницаемость пласта. Тогда при подходе лавы по опасному пласту в защищенной зоне про- изойдет быстрая дегазация и давление газа будет меньше, чем если бы не отрабатывался защитный пласт.
На практике используется инженерный метод построения за- щищенных зон, причем выделяют две схемы.
На рисунке 23.3 показан разрез пласта по падению (параллельно очистному забою). По первой схеме в выработанном пространстве не восстанавливаются первоначальные напряжения.
Размеры защищенных зон в кровле S1 и почве S2 определяются по методике, изложенной в правилах безопасности.
Первая схема применяется в том случае, если размеры защи- щенных зон L1и L2в сумме больше, чем ширина выработки (длина лавы). В противном случае в выработанном пространстве образуется зона восстановления нагрузок и надо применять вторую схему по- строения защитных зон, приведенную на рисунке 23.4.
|
|
опасный
защитный
δ1 а
δ3
δ4 h2
опасный
Рисунок 23.3 – Схема для построения защищённых зон
L2
|
1 δ3
δ4
Рисунок 23.4 – Расположение зон восстановленной нагрузки
Для построения защищенных зон по падению пласта использу- ется приведенная выше методика, а для построения зон восстановлен- ных нагрузок на рисунке 23.4 откладываются L1и L2. Из полученных точек под углами φ1, φ2проводятся прямые до их пересечения. В кров- ле выделяется треугольник, в котором напряжения восстанавливаются
до гидростатических. В этой зоне не будет внезапных выбросов угля и газа, но могут быть другие динамические явления негазового характе- ра. Такая зона в почве пласта прослеживается на глубину 0,6 S2, а на остальной части участок не защищен. Зона в почве пласта очерчивает- ся линиями под углами δ4, δ3.
На рисунке 23.5 показан разрез по простиранию. Зона восста-
новленных нагрузок в кровле пласта определяется углом φ3, в почве – углом, равным 75°. Для определения зон восстановленных нагрузок в плане важно определить размеры: в1, в2, которые выражаются форму- лами:
в1< L3+ h1ctgj3; (23.1)
в2< L3- 0,3h2, (23.2)
где φ3– угол давления, град;
L3– расстояние от очистного забоя до места, где восстанав- ливаются напряжения, при m>m0
|
После построения разрезов судят о степени защиты по площади. Для обеспечения безопасности работ в нижней части лавы опас-
ного пласта используются следующие схемы отработки (рис.23.6):
а) отработка опасного пласта через гезенки на групповой штрек; б) полная или частичная отработка участка a1 по защитному
пласту;
в) локальная надработка участка B1некондиционным по мощно- сти или золе пласту.
b1
b1'
45º
20 L3 φ3
45º
b2'
b2
75º
Рисунок 23.5 – Построение защищённых зон по простиранию
δ1 α
δ1
δ4 δ1
Рисунок 23.6 – Схемы защиты пластов
23.3.2 Гидравлическое воздействие на пласт
При гидравлическом воздействии на пласт возможны 4 режима внедрения в него текучего (жидкости): фильтрация, гидрорасчленение, гидроразрыв, гидровымыв.
При фильтрации темп внедрения текучего по порам не превос- ходит естественной гидропроводимости пласта, потому пласт не на- рушается. Давление у устья скважины равно
Рс£ 0,5m Н , (23.4)
а давление нагнетания
Рн£ 0,5m Н - Рпл, (23.5)
где РПЛ– пластовое давление, т.е. давление жидкости или газа в пласте.
При гидрорасчленении темп нагнетания выше естественной гидропроводимости пласта, поэтому трещины раскрываются, расши- ряются. Давление на скважине
0,5m Н £ Рс£ m Н . (23.6)
При гидроразрыве темп нагнетания во много раз превышает ес- тественную гидропроводимость пласта и пропускную способность раскрывающихся пластовых трещин, что сопровождается скачкооб-
разным ростом давления до величины, достаточной для разрыва пласта по направлению сил действия жидкости
Рс= m Н + o р , (23.7)
где σр – предел прочности на разрыв.
При гидровымыве гидропроводность пласта повышают путем размыва (растворения) минеральных включений или угля при внедре- нии жидкости.
23.3.3 Увлажнение угля в массиве
Через скважины, пробуренные параллельно забою по пласту, нагнетается вода в режиме фильтрации. При этом газ вытесняется (15- 20%) и блокируется (20–30%) капиллярным давлением, причем вытес- няется не только свободный газ, но и частично сорбированный. По- этому эффективность предварительного увлажнения не более 30–35%. При качественном заполнении угля жидкостью может заполниться 40– 50% общего объема пустот. Однако после прекращения нагнетания, вследствие перераспределения жидкости за счет сил самодвижения, ее давление в фильтрационном объеме снижается. При этом фильтраци- онные каналы в угле частично или полностью открываются и стано- вятся проницаемыми для газа.
Для борьбы с внезапными выбросами угля и газа необходимо,чтобы влажность угля была повышена до 5%. Динамика роста пара- метров нагнетания показана на рисунке 23.7. При неустановившейся фильтрации происходит только насыщение угля жидкостью и этого
достаточно для борьбы с пылью. Для предотвращения внезапных вы- бросов время и расход воды надо увеличить в два раза, т.е. достичь рыхления угля.
P Q
P=f(t)
Q=f(t)
0 t
Рисунок 23.7 – Динамика изменения параметров нагнетания
При известных значениях коэффициента фильтрации и эффек- тивной пористости угля расстояние между скважинами определяется по формуле
|
- Ро) t , (23.8)
m6 э
где К – коэффициент проницаемости, мд;
δэ– эффективная пористость; Рс– давление на скважине; Ро– давление газа в пласте;
t – время нагнетания;
μ – вязкость жидкости;
R – радиус распространения жидкости.
Диаметр скважин 42–100 мм, давление нагнетания до 0,5γH. Выделяется низконапорное увлажнение при давлении 1,5–1,0 МПа, но при длительности 30–100 суток, которое осуществляется путем под- ключения скважин к шахтному трубопроводу с водой. Длина скважин на 10–15 м меньше длины лавы. Расстояние между скважинами 10–30 м. Удельный расход жидкости 10–40 л/т.
23.3.4 Физико-химическая обработка угольного массива
В скважины по технологии заблаговременного или предвари- тельного увлажнения нагнетаются смола и отвердитель, которые от- верждаются в порах и трещинах и блокируют газ. В качестве смол применяются водные растворы смол КМ, М–60, УКС и др., а в качест- ве отвердителей хлористый аммоний, щавелевая кислота. В результате обработки становится равномерной прочность угля, снижается абсо- лютная газобильность лавы на 50–75%; на 45-50% –химическая актив- ность угля; на 45–70% пылеобразование.
23.3.5 Микробиологическое воздействие на пласт
Бактеорологическая суспензия (взвесь микроорганизмов в жид- кой питательной среде) и воздух нагнетаются в угольный пласт одно- временно или последовательно. В массиве происходит низкотемпера- турное окисление метана. В процессе жизнедеятельности клетки мета- ноокисляющих бактерий большую часть углерода, получаемую при
окислении метана, используют для построения клеточного материала микроорганизмов (возрастает число клеток), меньшая часть углерода в виде углекислого газа частично сорбируется углем, а частично выно- сится из пласта при фильтрации суспензии и воздуха.
Известны чистые и смешанные культуры метаноокисляющих бактерий, потребляющих метан в аэробных условиях. Смешанные со- стоят из нескольких видов микроорганизмов, а чистые из одного вида. При выборе культуры микроорганизмов необходимо учитывать ее ак- тивность и период адаптации к условиям угольного пласта.
Так, для культуры А–70 константа скорости роста равна 0,02 1/ч, активность 2ч, начальная концентрация 0,02 г/л, конечная концентра- ция 2,5 г/л, давление кислорода при нагнетании 0,5 МПа, период адап- тации 120 часов. Культура А–70 – это паста, которая работоспособна в течение 3 месяцев, транспортируется в химически неактивной посуде. Питательной средой для микроорганизмов служит смесь солей.
При микробиологическом воздействии снижается газоносность угольных пластов на 65–70%.
Объем фильтрующих пор примерно в два раза меньше, чем для воды. Скорость окисления метана рассчитывается с учетом периода роста бактерий и фильтрационных свойств пласта.
23.4 Локальные способы предотвращения внезапных выбросов угля и газа
Локальные способы применяются тогда, когда нельзя выпол- нить региональные способы.
Основные параметры: глубина обработки призабойной зоны и
величина неснижаемого опережения.
Неснижаемое опережение определяется по формуле
lно= km
lц, (23.9)
где К – коэффициент, зависящий от степени опасности пласта, равен 0,5–2;
m – мощность пласта, м;
lц – подвигание за цикл, м.
Глубина обработки может быть определена по формуле
l = lно+ lцn . (23.10)
23.4.1 Гидрорыхление
На рисунок 23.8 показано расположение скважин в очистном забое для гидрорыхления. При нагнетании воды через скважины (шпу- ры) насыщается водой массив, раскрываются старые, образуются но- вые трещины. В самом прямом смысле происходит рыхление пласта, изменяется структура пласта.
Параметры расположения шпуров: глубина – 6–11 м; глубина герметизации 4–8 м; диаметр до 80 мм; неснижаемое опережение 2–3 м; темп нагнетания более 30 л/мин, давление нагнетания (0,5–2)γН. Скважины герметизирует герметизаторами шлангового типа.
Гидрорыхление считается законченным, если появилась вода на плоскости забоя, снизилось давление в высоконапорном трубопроводе не менее чем на 30% от установившегося, при подаче воды в скважину не менее расчетного количества.
4-8
6-11
lно
Рисунок 23.8 – Расположение скважин при гидрорыхлении пласта
При правильном выполнении работ происходит перераспреде- ление напряжений и в глубь массива переносится максимум опорного давления.
23.4.2 Гидроотжим
На рисунке 23.9 показаны параметры расположения скважин при гидроотжиме. Скважины располагаются в прочной пачке угля.
0,3 lг
Рисунок 23.9 – Расположение скважин для гидроотжима угля
Расстояние между скважинами определяется по формуле
R = (2,4lr- 0,5m)± 0,5 , (23.11)
а глубина герметизации по формуле
lr= (3,2 ± 1)m ³ 2,
м . (23.12)
Неснижаемое опережение больше или равно 0,7м. Давление на- гнетания на скважине > 0,75γН. Вода нагнетается через загерметизиро- ванный 0,3 метровый участок шпура. Темп нагнетаний более 25 мощ- ностей пласта (л/мин). Применяется при малой проницаемости пласта. В результате нагнетания воды массив частично разрушается, выдвига- ется в призабойное пространство, дегазируется, а область максималь- ного опорного давления переносится в глубь массива. Гидроотжим вчитается выполненным, если забой выдвинулся не менее чем на 0,02lr. Для отсчета величины отжима угольного забоя устанавливается репер.
23.4.3 Гидровымывание опережающих полостей
Основным условием, определяющим область применения гид- ровымывания опережающие полостей, является наличие в пласте па- чек нарушенного угля с коэффициентом крепости менее 0,6 и мощно- стью более 50 мм. Способ применяется в подготовительных выработ- ках. На рисунке 23.10 показано расположение полостей. Параметры их следующие: ширина – более 0,25 м, высота также более 0,25м; разме-
ры целичков менее 0,3 м; длина
l = 2lно; длина неснижаемого опере-
жения равна 5м.
Давление 7,0–11,0 МПа, темп нагнетания 15-30 л/мин. Оборудо- вание: насосная установка, высоконапорные трубы, рабочий орган (ствол), комплект насадок, заканчивающихся отверстиями диаметром 1 мм.
lш lп
Рисунок 23.10 – Расположение полостей
23.4.4 Образование разгрузочных пазов, щелей
Вместо полостей на крутых пластах применяются разгрузочные пазы (рис. 23.11). Пазы образуются путем выбуривания рядом распо- ложенных скважин диаметром не более 60 мм. Длина паза 2,5 м, не- снижаемое опережение 0,5м. Паз прорезается от кровли до почвы, т.е. на всю мощность пласта.
2,5
lно
Рисунок 23.11 – Расположение паза в уступе
При проведении выработок комбайном первоначально над пла- стом с оставлением 0,5 м предохранительной пачки породы вынимает- ся щель, размерами большими, чем контур выработки (рис. 23.12). Глубина заходки 1м. После этого вынимается порода и угольный пласт по остальному сечению выработки.
Разгрузочная щель
0,5м
0,5м
Рисунок 23.12 – Расположение разгрузочной полости
23.4.5 Бурение опережающих скважин
Этот способ борьбы с внезапными выбросами угля и газа при- меняется тогда, когда газопроницаемость пласта обеспечивает быст- рую дегазацию пласта. Диаметр скважин до 300 мм. Скважины бурят- ся впереди зоны опорного давления по восстанию на глубину 30–50 м, а если из лавы по простиранию, то их глубина 10–20 м. Неснижаемое опережение 5м. Радиус влияния скважины составляет от 1 до 4 диа- метров.
23.4.6 Применение опережающей крепи
При вскрытии пластов опасных по внезапным выбросам угля и газа применяют каркас, состоящий из металлической рамы (1), метал- лических труб (2), анкеров (3), показанных на рисунок 23.13. С помо- щью каркаса вскрывают пласты мощностью до 3 м и с давлением газа до 40 МПа.
1
Рисунок 23.13 – Схема опережающей крепи: 1– металлическая рама; 2 – труба; 3 – анкер
Функции опережающей крепи может выполнять участок укреп- ленного синтетическими смолами пласта. На рисунке 23.14 показано расположение скважин, через которые нагнетают синтетические смо- лы и отвердитель. Удельный расход 25–30 л/т. Когда давление газа станет меньше 1,0 МПа, приступают к вскрытию
Рисунок 23.14 – Расположение скважин
23.4.7 Взрывное рыхление
В местах перехода очистными выработками геологических на- рушений на пологих пластах небольшой мощности могут применять- ся: сотрясательное взрывание; камуфлетно-сотрясательное взрывание; торпедирование.
Сущность сотрясательного взрывания заключается в том, что в угольном забое ведутся буровзрывные работы по специальному режи- му (паспорт, взрывание ведется при удалении людей на значительное и безопасное расстояние и др.). Применяется главным образом при вскрытии опасных пластов и при проведении подготовительных выра- боток, реже – при очистной выемке.
Цели сотрясательного взрывания – отбойка угля с необходи- мым оконтуриванием контура выработки и провоцирование выбросов в отсутствие людей.
Впервые сотрясательное взрывание было применено в Бельгии в 1890 г. В том же году оно впервые было применено во Франции, а в 1922 г. было введено в Англии и в 1926 г. в Германии.
Впервые сотрясательное взрывание применено в Донбассе в
феврале 1933 г. на шахте "Красный Профинтерн" при вскрытии пласта Дерезовка на гор. 440 м.
МакНИИ рекомендует для сотрясательного взрывания приме- нять 3–5 шпуров на 1 м2площади угольного забоя. Расстояние между шпурами 0,6 м, длина шпуров 1,5–3 м, масса заряда шпура 0,75–1,75 кг.
Камуфлетно-сотрясательное взрывание – это взрывание за- глубленных зарядов ВВ, разрушающих или пластически деформи- рующих окружающую среду, но не вызывающих остаточных дефор- маций обнаженной плоскости (забоя). Применяется с целью разгрузки пласта от давления горных пород и для дегазации. Заряд располагается в области концентрации горного давления впереди забоя. При диамет- ре шпура 43 мм диаметр полости приблизительно 200 мм, а зона тре- щиноватых пород 0,8 м.
Торпедирование осуществляется путем взрывания специальных зарядов расположенных в скважинах длиной 7–20 м и диаметром ме- нее 80 мм. Неснижаемое опережение 5 м. После заряжания скважину герметизируют, заливают водой и, после этого, взрывают (не более 10 скважин одновременно). Рекомендуется применять в нишах лав поло- гих пластов.
23.5 Объем и эффективность применения способов борьбы с внезапными выбросами угля и газа
Наиболее дешевый и распространенный способ борьбы - нагне- тание воды а, наиболее дорогой – отработка некондиционного по мощности пласта (эффективен тогда, когда на 1 т массы приходится 6,7 –9,6 т защищенного угля).
В Донбассе отрабатываются под защитой 18,8% очистных и
14,2% подготовительных забоев.
Основное направление – довести отработку пластов до 30–35%.
23.6 Технологические мероприятия, снижающие выбросоопасность
1. Управление кровлей полным обрушением, полной закладкой, или плавным опусканием, когда в выработанном пространстве не ос- тавляют специальную крепь.
2. Узкозахватная выемка угля.
3. Столбовая система разработки; на крутом падении выемка столбами по падению.
4. Спрямление линии забоя и придание ему наклона на массив.
5. Применение прочной и малоподатливой крепи.
6. Предупреждение зависания кровли над выработанным простран-
ством.
При столбовой системе разработки на участках, примыкающих
к штрекам 18% выбросов; при сплошной с опережением штреков – 50%; при сплошной с отставанием штреков – 80%, в то время как в средней части лавы частота примерно одинакова.
23.7 Методы физического воздействия на массив для предотвращения выбросов
По характеру изменений нагрузки: статические, импульсные, вибрационные.
В настоящее время разрабатываются и уже применяются спосо- бы обработки горного массива динамическими методами с целью его
ослабления, раскрытия трещин, снятия внутренних напряжений.
Применяется взрывание мощных зарядов ВВ, воздействие на массив упругими поверхностными волнами с помощью вибраторов с частотой до 10 Гц.
23.8 Методы физического воздействия на массив для предотвращения выбросов
По характеру изменений нагрузки: статические, импульсные, вибрационные.
В настоящее время разрабатываются и уже применяются спосо- бы обработки горного массива динамическими методами с целью его ослабления, раскрытия трещин, снятия внутренних напряжений.
Применяется взрывание мощных зарядов ВВ, воздействие на массив упругими поверхностными волнами с помощью вибраторов с частотой до 10 Гц.
Лекция 24