книги / Рудничная аэрология.-1

§ 11. Газовые балансы угольных шахт

Газовым балансом шахты называется ее абсолютная метанообильность, представленная как сумма метанообильностей отдельных мест или источников метаиовыделения. Он зависит от системы раз­ работки, способа управления кровлей, наличия сближенных пластов, объема выработанного пространства, развития очистных и подгото­ вительных работ, газоносности и свойств угля, горногеологических условий.

Газовые балансы основных угольных бассейнов страны характери­ зуются следующими данными (в % от общего газовыделения в шахте):

Знание газового баланса шахты необходимо для правильной организации ее проветривания, в частности для правильного опре­ деления необходимого для вентиляции количества воздуха и его распределения по выработкам. Учет газового баланса при проекти­ ровании вентиляции шахты рассматривается в главе X X II.

§ 12. Управление метановыделением в горные выработки

Проведение мероприятий для перераспределения метановыделения в шахте или изменения его величины называется управлением метановыделением. Целью его является облегчение проветривапия отдельных участков или шахты в целом.

Перераспределения метаиовыделения можно достичь изменением схемы вентиляции участка, специальной вентиляцией выработанного пространства, изменением системы разработки.

Так, вентиляция по схеме рис. 10, а способствует выносу метана из выработанного пространства в вентиляционный штрек, при этом

внижней части лавы какое-то количество метана из выработанного пространства поступает в призабойное. Общее метановыделение из выработанного пространства сравнительно невелико.

При вентиляции по схеме рис. 10, б основное количество метана выносится из выработанного пространства в вентиляционный штрек,

впризабойное пространство поступает минимальное количество газа.

При вентиляции по схеме рис. 10, в выработанное пространство почти не проветривается, вследствие чего газовыделение из него невелико (в 1,5—2 раза меньше, чем при схеме рис. 10, а). Однако

Рис. 10. Схема проветривания выемочных участков

большое скопление метана в выработанном пространстве при этой схеме создает опасность внезапных выделений газа в призабойное пространство при резком падении барометрического давления, мас­ совых обрушениях кровли и т. п.

При вентиляции по схеме рис. 10, г почти весь метан выносится из выработанного пространства в призабойное. По сравнению со схемой рис. 10, а газовыделение в призабойное пространство из выработанного в этом случае может быть больше в 3 раза. При большом газовыделении в выработанном пространстве эта схема неприменима.

Системы разработки с широко развитой сетью подготовительных выработок способствуют абсолютному и относительному увеличе­ нию газовыделения из последних и уменьшению газовыделении из очистных выработок. Так, в Донбассе при относительно небольшой протяженности подготовительных выработок газовыделение из них составляет .10—15% общешахтного, а в Кузнецком и Карагандин­ ском бассейнах, где протяженность подготовительных выработок велика, газовыделение из них достигает 50—60%.

При одновременной отработке сближенных пластов газовыделение по пластам распределяется наиболее равномерно при их минимальном взаимном опережении. В случае значительного опере­ жения одного из пластов его газообильность может превышать газообильность вынимаемых в последнюю очередь пластов в 4—5 раз, а газовыделение из выработанных пространств может достигать 70—90% общего газовыделения по участку.

Для уменьшения метановыделения в выработки применяют раз­ личные способы дренирования выработанного пространства, сбли­ женных пластов и разрабатываемого пласта (см. § 17 настоящей главы), опережающую выемку одного или нескольких из сближен­ ных пластов, изменение способа управления кровлей (например, переход с полного обрушения на частичную закладку).

§ 13. Метанообильность шахт

Количество выделяющегося в шахте (выработке) метана и опас* ность шахты по метану характеризуются ее метанообильностью. Различают абсолютную и относительную метанообильность.

А б с о л ю т н о й м е т а н о о б и л ь н о с т ь ю называется количество метана, выделяющегося в шахты (выработки) в единицу времени (обычно измеряется в м3/сутки).

О т н о с и т е л ь н о й м е т а н о о б и л ь н о с т ь ю шахты (выработки) называется общее количество выделившегося в шахте

Категория шахты устанавливается ежегодно в июне — июле месяце по трем замерам газообильности в начале, середине и конце месяца, причем каждый из замеров проводится три раза в сутки, по одному в смену. Пробы воздуха набираются на исходящих струях шахты, отдельных пластов и участков в дни нормальной работы.

Абсолютная метанообильность шахты, пласта, участка опреде­ ляется как средняя из трех наблюдений за сутки по формуле

где Q — количество воздуха, замеренное при взятии пробы, м*/мин; с — процентное содержание метана в пробе воздуха.

Если шахта проветривается несколькими вентиляторами, то абсолютная метанообильность определяется как сумма абсолютных метанообильностей исходящих струй всех вентиляторов.

Относительная метанообильность устанавливается по максималь­ ной абсолютной метанообильности из трех ее значений, замеренных

Шахты, в которых выделялся или выделяется метан хотя бы на одном пласте, считаются опасными по газу и должны быть пол­ ностью переведены на газовый режим.

Интенсификация добычи и увеличение глубины работ вызывают увеличение метанообильности угольных шахт. В 1957 г. в СССР

30% всех шахт относилось к III категории и сверхкатегорным по газу, а в 1966 г. их было уже 45%. В настоящее время метанообиль­ ность шахт может достигать 100 и даже 140 м?/т. Высокая метано­ обильность увеличивает опасность работ в шахтах и ограничивает производственные возможности угледобывающих машин и агре­ гатов.

§ 14. Прогноз метанообильности шахт

При проектировании вентиляции новых шахт и горизонтов необ­ ходимо знать их возможную метанообильность. Последняя может быть определена горностатическим методом или по метаноносности пластов.

По г о р н о с т а т и ч е с к о м у м е т о д у прогноз метано­ обильности проектируемых шахт или более глубоких горизонтов действующих шахт производится по ступени метанообильности, характеризующей увеличение относительной метанообильности шахты (горизонта) при углублении горных работ на единицу вертикаль­ ной глубины:

q0 = 2 -г- 3 м *!т — метанообильность шахты на границе зоны газового выветривания при глубине этой зоны Н 0, ж;

# ст — ступень метанообильности шахты, м/(м*/т).

Для Донецкого бассейна глубина зоны газового выветривания находится в среднем в пределах 100—300 м , значение ступени мета­ нообильности в пределах 20—35 м1(м*1тп). Для Кузбасса эти вели­ чины составляют соответственно 50—150 м и 10—25 м/(м3/пг), для Карагандинского бассейна — 100—250 м и 6—25 л!/(ле3/т), для Воркутского месторождения — 80—230 м и 4—25 м1{м*1т).

Поскольку значения НСТ и q0 определяются статистически по результатам замеров на действующих шахтах (горизонтах), их значения для проектируемых шахт (горизонтов) могут быть недоста­ точно точными. Поэтому прогноз метанообильности горностатиче­ ским методом рекомендуется производить лишь для участков, рас­ положенных вблизи разрабатываемых шахтных полей (по падению или простиранию).

П р и р а с ч е т е п о м е т а н о н о с н о с т и п л а с т о в относительная метанообильность пласта q^ определяется как сумма

Относительная газообильность участков определяется как функ­ ция начальной х и остаточной х г газоносности разрабатываемого пласта и сближенных пластов:

Относительная газообильность подготовительных выработок с обособленной вентиляцией определяется как функция начальной и остаточной газоносности разрабатываемого пласта и начальной интенсивности газовыделения с обнаженной поверхности пласта Ç 0:

9подг = / 2 (^» ^i» Qo)• ( Н *7 )

Относительная газообильность старых выработанных пространств

Конкретный вид функций / 1э / 2 и значение коэффициента к уста­ навливаются на основании теоретических предпосылок и экспери­ ментальных исследований в' шахтах и приводятся во «Временной инструкции по прогнозу метанообильности угольных шахт СССР».

§ 15* Допустимые концентрации метана в горных выработках

Для обеспечения безопасных условий работы в газовых шахтах содержание метана в выработках должно быть значительно меньше нижнего предела взрывчатости метано-воздушной смеси (5%). Со­ гласно Правилам безопасности концентрация метана в рудничном воздухе не должна превышать пределов, приведенных в табл. 5.

Как видно из табл. 5, допустимые концентрации метана значи­ тельно ниже нижнего предела воспламенения, что гарантирует безопасность работ при их соблюдении в шахте.

Более высокая допустимая концентрация метана (2%) для его местных скоплений объясняется в определенной степени меньшей опасностью этих скоплений вследствие относительно небольших объемов содержащегося в них метана.

При установлении нормы для общих и исходящих струй (0,75%) учтено, что метан в них в значительной степени разбавляется утеч­ ками воздуха. Поэтому принятие нормы максимально допустимого содержания метана в общих исходящих струях такой же, как и в ис­ ходящих струях участков (1%), означало бы, что в этих последних фактическое содержание метана, как правило, было бы больше 1%.

Ограничение допустимой концентрации метана в поступающих струях (0,5%) важно как с точки зрения безопасности, поскольку в выработках со свежей струей находится значительное количества электрооборудования, так и с точки зрения увеличения нагрузки на очистной забой, ибо при ограничении содержания метана в лаве одним процентом и значительном (свыше 0,5%) содержании метана в поступающей струе газовыделение в лаве ограничивается такой величиной, которая давала бы прирост содержания метана не более 0,5%. Так как газовыделение в лаве в определенной степени пропор­ ционально добыче угля в ней, то тем самым ограничивается и произ­ водительность очистного забоя. Из сказанного следует, что чем ниже содержание метана в поступающей струе, тем больше может быть производительность очистного забоя при прочих равных условиях.

§ 16* Меры борьбы с метаном в шахтах

Весь комплекс мер борьбы с метаном в шахтах преследует сле­ дующие цели: 1) недопущение опасных скоплений метана в выработ­ ках, 2) предупреждение воспламенения метана, 3) ограничение пос­ ледствий взрывов, 4) борьба с суфлярами и внезапными выбросами.

Основной мерой предотвращения опасных скоплений метана является вентиляция, которая считается эффективной, если по всей сети действующих выработок шахты поддерживаются допустимые концентрации газа (см. табл. 5). Необходимое увеличение поступле­ ния воздуха в газовую шахту и на отдельные ее участки достигается уменьшением аэродинамического сопротивления шахты и распреде­ лением воздуха по выработкам в соответствии с их газовым балан­ сом. Необходимо также уменьшать утечки воздуха в шахте, так как они приводят к снижению поступления воздуха к местам его основ­ ного потребления. Более подробно о роли утечек в газовых шахтах см. в главе XIII.

Однако наряду с обеспечением выработок достаточным количе­ ством воздуха необходимо выполнять и ряд дополнительных тре­ бований.

Так, при слоевых скоплениях метана часто средняя концентра­ ция его на выходе из выработки находится в пределах нормы, в товремя как в слое на некотором участке выработки содержание газа может превышать допустимые пределы. Чтобы не допустить этого,

взабое будет накапливаться метан и содержание его может превы­ сить допустимые концентрации. Чтобы избежать рециркуляции воздуха, необходимо надежно отделять свежую струю от исходящей,

вчастности располагать вентилятор (или конец всасывающего трубопровода) только на свежей струе. Это же требование распро­ страняется и на сквозные выработки: движущийся по ним загрязнен­ ный воздух не должен попадать в свежие струи, поступающие к местам ведения работ.

Метан, будучи в 2 раза легче воздуха, имеет тенденцию скапли­ ваться в верхних частях выработок, особенно при недостаточно­ интенсивном перемешивании воздушного потока. Поэтому исходя­ щие струи следует направлять вверх, в сторону естественного движе­ ния метана. В частности, движение воздуха по очистным забоям,, где метан выделяется наиболее интенсивно, при углах падения пла­ ста от 5° и далее по выработкам должно быть восходящим. Движе­ ние исходящей из очистных забоев струи может быть нисходящим, лишь при большой скорости воздуха (свыше 1 м/сек), обеспечива­ ющей хорошее перемешивание метана, .а также при отсутствии купо­ лов и пустот, в которых может скопиться метан. В газовых шахтах

проводить тупиковые выработки следует сверху вниз; в противном случае необходимо предварительно бурить сквозные скважины.

Достаточно интенсивное перемешивание метана в вентиляцион­ ном потоке возможно лишь при скоростях движения воздуха в очист­ ных забоях не ниже 0,25 м/сек и в подготовительных — не ниже 0,15 м/сек. Естественно, что даже кратковременная остановка венти­ ляторов в газовой шахте недопустима.

В последнее время наблюдается быстрый рост газообильности шахт вследствие их углубления и интенсификации добычи угля. При этом вентиляционные возможности шахт могут оказаться исчер­ панными, что требует проведения специальных мероприятий по борьбе с метаном. Основным из них является дегазация выработок, принципы и способы которой рассматриваются в следующем пара­ графе.

Опасные по газу шахты переводятся на так называемый газовый режим. Этот режим предусматривает проведение комплекса меро­ приятий по предупреждению воспламенения метана, в частности применение взрыво- и искробезопасного электрооборудования, предо­ хранительных ВВ и определенных правил ведения взрывных работ, запрещение пользоваться открытым огнем.

Тупиковые забои в газовых шахтах должны проветриваться нагнетательными вентиляторами, постоянно омываемыми свежим воздухом.

Откатка контактными электровозами разрешается только в шах­ тах I и II категорий по метану лишь в главных откаточных выработ­ ках со свежей струей.

Для ограничения возможных последствий взрыва метана венти­ ляционная сеть шахты должна состоять из возможно большего числа независимых участков, а свежие и исходящие струи должны быть надежно разделены. Необходимо также выполнять ряд организа­ ционных мер, связанных со своевременным отключением электро­ энергии и выводом людей при загазировании выработки, с тщательно продуманным составлением плана ликвидации аварий и ознакомле­ нием с ним всех работающих, повышением боеготовности горноспа­ сательных частей.

Борьба с суфлярами ведется либо увеличением подачи воздуха в выработки (при небольших суфлярах), либо каптированием газа. Для каптажа суфляра сооружают герметичную камеру у его устья и из нее отводят газ по трубопроводу. Иногда применяется тампо­ наж суфляров.

Мероприятия по предупреждению внезапных выбросов угля и газа в основном сводятся к мерам по дегазации пласта, снижению концентрации напряжений в пласте, укреплению забоя и к специ­ альным организационно-техническим мероприятиям.

Дегазация опасного по внезапным выбросам пласта может про­ изводиться путем бурения специальных дегазационных скважин по пласту (опережающих или параллельных забою) или же могут применяться способы дегазации, рассмотренные в § 17. При вскры­

тии опасных пластов применяется их предварительная дегазация (обычными способами или путем гидроразмыва) через оставляемую породную пробку.

Снижение концентрации напряжений в опасном пласте дости­ гается устранением острых углов в забоях, применением управле­ ния кровлей полным обрушением, сотрясательного взрывания, торпедирования пласта, отказом от машин и механизмов ударногодействия.

Укрепление забоя достигается применением специальных крепей,, обеспечивающих жесткое и прочное поддержание забоя и нависа­ ющих массивов угля.

Организационно-технические мероприятия по борьбе с внезап­ ными выбросами связаны с механизацией добычи на опасных пла­ стах, дистанционным управлением машинами, применением выемки без постоянного присутствия людей в забое, обеспечением рабочих изолирующими самоспасателями и др.

§17. Дегазация горных выработок

Суглублением и интенсификацией горных работ во многих случаях метанообильность угольных шахт увеличивается настолько, что снижение концентраций метана в выработках до допустимых пределов средствами одной вентиляции оказывается невозможным. Для этого в шахты требуется подавать очень большое количествовоздуха, что приводит к превышению допустимых скоростей его дви­ жения в выработках и к необходимости создания специальных

вентиляторов. Вентиляция газообильных шахт будет облегчена, если искусственно уменьшить поступление газа в горные выработки, т. е. применить дегазацию.

Под дегазацией выработок будем понимать комплекс мероприятий по уменьшению поступления метана в действующие выработки шахты.

Следует различать понятия «дегазация выработок» и «дегазация угольного пласта». В последнем случае имеются в виду мероприя­ тия, снижающие газоносность угольных пластов, в то время как дегазация выработок является более широким понятием и помимомер по снижению газоносности допускает и такое воздействие на пласт, при котором будет происходить консервация газа в пласте или значительное замедление выделения газа из пласта без сущест­ венного снижения газоносности.

Дегазация, уменьшая газовыделение в выработки, повышает безопасность работ, позволяет увеличить нагрузки на очистные забои и, следовательно, производственную мощность шахты.

Попытки искусственной дегазации выработок в виде каптажа метана из суфляров относятся еще к первой половине XVIII в. В России они были осуществлены в начале этого века. Широкое* промышленное внедрение дегазации на шахтах нашей страны

началось в конце 40-х годов. В настоящее время дегазация приме­ няется во всех основных угольных бассейнах страны.

Все применяемые методы дегазации можно разделить на две основные группы: методы оперативной дегазации, применяемые при разработке пласта (участка, блока); и заблаговременной дегазации, применяемые до начала очистных работ.

К первым относятся: дегазация сближенных пластов и разраба­ тываемого пласта скважинами и выработками, отсос газа из вырабо­

пласта подработкой (надработкой) и проводимыми по пласту до

скважины. Скважина должна быть пробурена до подхода к ней очист­ ного забоя. Она должна пересекать сближенный пласт в зоне его разгрузки от горного давления при прохождении лавы и не попадать в зону активного обрушения. Выход скважины в зону разгрузки сближенного пласта обеспечивает высокие дебиты метана из нее, поскольку, как отмечалось ранее (§ 7), при разгрузке от давления значительная часть ранее сорбированного метана переходит в сво­ бодное состояние. Пересечение скважиной зоны активного обруше­ ния приводит к засасыванию низкопроцентной метано-воздушной смеси из обрушенного пространства и, следовательно, к снижению эффективности дегазации.

Расстояние между скважинами по простиранию зависит от дли­ тельности их эффективного действия, оно различно для разных горнотехнических условий (расстояния до сближенного пласта, его мощности и марки угля, свойств пород междупластья, скорости подвигания лавы и др.) и находится в пределах от 25 до 200 м.