Регулирование газовоздушных потоков при выемке метаноносных пластов угля
В условиях сформировавшейся экономики и проводимой реструктуризации угольной промышленности наиболее неконкурентоспособными оказались шахты, добывающие коксующийся уголь дефицитных марок Ж, КЖ, К, КС, ОС и др. Однако без разработки пластов коксующегося угля не обойтись, так как он является частью химических и физических процессов в металлургической и коксохимической промышленности. Потребность в этих марках угля на внутреннем рынке составляет более 45 млн. т в год. Коксующийся уголь пользуется спросом и на зарубежных рынках. Балансовые запасы его в Кузбассе и в Воркутском месторождении превышают 33 млрд. т и обеспечат потребность на многие годы.
Низкие технико-экономические показатели шахт являются результатом высокой природной метаноносности пластов и сложившихся способов разбавления выделившегося газа. Применяемые системы вентиляции выемочных участков не справляются с разбавлением метана при интенсивной выемке угля. Предельная концентрация и локальные взрывоопасные скопления метана ограничивают технические возможности существующей выемочной техники. В то же время для повышения технико-экономических показателей шахты необходимо увеличить нагрузку на очистной забой в несколько раз. Это будет осуществлено при внедрении высокоэффективных выемочных комбайнов нового поколения с рабочей скоростью 10-15 м/мин. Чтобы обеспечить применение такой техники на метаноносных пологих пластах, необходимо, по нашему мнению, изменить методику определения длины лавы и расхода воздуха для проветривания выемочного участка. Рассмотрим возможность достижения высоких нагрузок на очистной забой при выемке метаноносных пластов.
На зарубежных негазовых шахтах высокие нагрузки на очистной забой на пологих пластах средней мощности достигнуты в лавах длиной более 250-300 м. Российскими учеными также доказано, что увеличение длины лавы и нагрузки на забой - это решающий фактор создания шахт нового технического и экономического уровня. Однако при увеличении длины лавы изменяется интенсивность выделения метана, и необходимо решить проблему разбавления газа в выработках до безопасной величины.
Рассмотрим формирование метановоздушных потоков во время выемки метаноносных пластов. Наиболее рациональной для этих условий является прямоточная схема проветривания на выработанное пространство с подсвежением. Исходящая струя выдается на фланговую выработку. Газовый баланс выемочного участка
М уч= М л+ В + Д
где В - количество метана, поступающего из выработанного пространства в шахтную атмосферу, м. куб./мин; Д - количество метана, поступающего на участок с подсвежением, м. куб./мин; М л - газовый баланс лавы, м. куб./мин.
Газовый баланс лавы включает
М л=П+Р+К+Л,
где П, Р, К- соответственно, дебит метана из обнаженной поверхности пласта, при разрушении угля исполнительным органом выемочной машины и из отбитого угля, лежащего на конвейере и за конвейером, м. куб./мин; Л - количество метана, поступающего в лаву со свежей струей воздуха, м. куб./мин.
Основной задачей распределения воздуха на участке является разбавление всего поступающего в шахтную атмосферу метана, чтобы концентрация его не превышала 1%. Поэтому для расчета нагрузки на лаву принимаем метод имитации работы комбайна, выделения метана по источникам и движения струй воздуха по выработкам. Максимально возможная нагрузка зависит от интенсивности выемки и распределения воздуха. Процесс выемки угля и формирования метановоздушных потоков в пределах участка рассматривается как непрерывный и динамичный. Из источника происходит выделение метана с определенной интенсивностью. Метан перемешивается с движущимся потоком воздуха, образуя метановоздушную смесь. Вентиляционная сеть выемочного участка - это самонастраивающаяся система, в которой распределение потоков воздуха происходит в соответствии с основными законами аэродинамики. При выбранной схеме вентиляции часть воздуха из очистного пространства в виде распределенных утечек уходит в выработанное. Вместе с воздухом уходит в выработанное пространство и часть метана. Поэтому на выходе из лавы концентрация метана будет С=100 (ГТ + F + К' + Л')/Qл., где П, Р, К', Л' - дебит метана из источников в лаве с учетом утечек в выработанное пространство; Qл, - количество воздуха на выходе из лавы.
В этих условиях основным направлением решения проблемы увеличения нагрузки на очистной забой может быть изменение следующих факторов:
Х -Х, -min; П+Р+K-mm;
О, =>max; В =^min
где Х - природная метаноносность пласта в массиве; Xq - метаноносность пласта в зоне отжима и естественной дегазации.
По нашим расчетам метаноносность пласта в зоне разрушения комбайном составляет от 49.4 до 81% от природной метаноносности пласта при уменьшении продолжительности времени цикла в лаве от 250 до 75 мин.
Таким образом, получается, что необходимо увеличивать продолжительность цикла по снятию полосы угля и расход воздуха, подаваемого в лаву. Но увеличить нагрузку на лаву, увеличивая продолжительность цикла, можно только при увеличении длины лавы. Расход воздуха ограничивается скоростью в очистном пространстве. Шахтные замеры на пластах "Четвертом", "Тройном" и "Мощном" на шахтах ОАО "Воркутауголь" показали, что в лаву поступает часть воздуха, подаваемого по вентиляционной выработке. На расстоянии 15м от сопряжения с вентиляционной выработкой количество воздуха будет равно:
на пластах мощностью до 2 м
О, = 0.237 + 0.536 Q;
1 на пластах мощностью 2-2.4м О =-0.42+0.86Q,;
- на пластах мощностью 3.5-4.12м
Q, = -7.75+1.65 Q"" - 0.028 Q^ где Q", и Q, в м.куб./с. В зависимости от мощности пласта и применяемых гидравлических крепей в лаву поступает соответственно около 56,84 и 70 % от подаваемого воздуха по подготовительной выработке Q.
Показаны результаты одного из замеров распределения воздуха и концентрации метана в лаве N 513-Ю на пласте "Четвертом" на шахте "Воркутинская". Лава N 513-Ю была нарезана длиной 295 м, а затем постепенно уменьшалась до 160 м. Средняя мощность пласта была 1.48м, а угол падения - 10...12ш. Применяеамя система разработки - столбовая. Подвигание забоя осуществляется по простиранию пласта. Непосредственная кровля пласта средней устойчивости, а основная кровля - труднообрушаемая. Непосредственная и основная кровля имела переменную мощность и структуру по всей площади выемочного участка. При этом слой непосредственной кровли на некоторых участках отсутствовал, и алевролит замещался песчаником. В лаве применяли узкозахватный комплекс КМТ с комбайном ПГШ-68. Схема выемки была принята односторонняя. Выемка угля производилась при движении комбайна снизу вверх. Шаг установки секций крепи 1.226м. Во время отработки лавы применяли дегазацию выработанного пространства. Параметры вентиляции вначале были установлены по замерам в соседней лаве N 413-Ю. Длина этой лавы 150 м, метанообильность 5.19 мУмин при среднесуточной нагрузке 1118 т/сут. В отдельные дни нагрузка достигала 1503 т/сут. Дебит участка составлял 19.34 м. куб./мин метана. В том числе из выработанного пространства в шахтную атмосферу участка поступало 14.2 м. куб./мин метана.
Для разбавления метана в лаву N 513-Ю подавали 1100 м. куб./мин свежего воздуха, а для подсвежения исходящей струи из лавы - 900 м. куб./мин. Нагрузка на очистной забой в первом месяце работы была от 730 до 2490 т/сут, во втором -от 510 до 2315 т/сут, в третьем - от 990 до 2060 т/сут, в четвертом - от 870 до 2175 т/сут. Концентрация метана в исходящей из лавы и участка струе не превышала 1%.
В дальнейшем при отработке клинообразного столба по мере уменьшения длины лавы от 290 до 160м нагрузка на забой также уменьшалась. Во время доработки оставшейся части столба лавой длиной 157-160 м среднесуточная нагрузка по месяцам изменялась от 605 до 1097 т/сут, среднее значение ее было 908 т/сут. Показано изменение среднесуточной нагрузки в лавах N 132-С и N 613-Ю с уменьшением длины лавы.
Анализ шахтных замеров расхода воздуха показал, что в лавы подавали недостаточное количество воздуха. При этом соотношение расхода воздуха, подаваемого в лаву и для подсвежения исходящей из лавы струи, было нерационально. В лаву подавали недостаточное количество воздуха, чтобы устранить отдельные местные скопления метана на границе с выработанным пространством.
Для подсвежения подавали больше воздуха, чем в лаву. В результате в выработке со стороны выработанного пространства уменьшалось статическое давление воздуха, увеличивались утечки воздуха из очистного пространства. Оставшегося воздуха в очистном пространстве было недостаточно для разбавления метана при интенсивной выемке угля.
Расчеты нагрузки на забой производились по организационным факторам и проверялись по возможностям вентиляции при рациональном распределении воздуха, чтобы концентрация метана в исходящей струе воздуха из лавы и участка не превышала 1%.
Выполненные расчеты для условий, показали, что на пластах мощностью 1.5 м и при максимальной рабочей скорости комбайна 6 м/мин нагрузка на забой сдерживается организационными факторами. На пластах с высокой метаноносностью она не превысит 2400 - 2600 т/сут при правильном распределении воздуха на участке. В лавах большей длины нагрузка будет выше. При применении комбайнов с высокой рабочей скоростью нагрузка может быть 4500 - 5000 т/сут на участках пластов с природной метаноносность до 20 м. куб./т. При этом длина лавы оказывает существенное влияние на увеличение нагрузки. В лавах длиной 200 м нагрузка на лаву не превысит 2650 т/сут, в то время как при длине лавы 300 м можно получить 4500 т/сут.
На пластах мощностью 2.5 ми метаноносностью до 25 м. куб./т нагрузка на забой при рабочей скорости 6 м/мин также сдерживается организационными факторами. С увеличением метаноносности пласта необходимо применять лавы длиной более 200 м.
Нагрузка более 7500 т/сут высокопроизводительными комбайнами на пластах мощностью 2.5 м может быть обеспечена вентиляцией при метаноносности участков пласта до 15 м '/т. При метаноносности 15-20м. куб./т нагрузка снижается до 6500 т/сут. При повышении метаноносности пласта до 25-30 м. куб./т значительно увеличивается интенсивность выделения метана, и нагрузка на очистной забой не будет превышать 2600 - 4300 т/сут.
Выводы
В лавах длиной 240...270 м на шахте "Воркутинская" на метаноносном пласте нагрузка на очистной забой в течение нескольких лет была в 1.5... 1.8 раза больше, чем в остальных лавах.
На метаноносных пластах нагрузка более 6500 т/сут на очистной забой по безопасной концентрации метана может быть достигнута при применении высокоэффективных выемочных машин при рациональном распределении свежего воздуха в пределах выемочного участка.
При метаноносности пласта выше 15 м. куб./т необходимо принимать длину лавы 300 м и более. При этом в лаву необходимо подавать количество свежего воздуха максимально возможное по скорости движения в очистном пространстве, чтобы больше воздуха проходило через выработанное пространство. Это, с одной стороны, улучшает дегазацию выработанного пространства и, с другой стороны, уменьшает вероятность локальных скоплений метана на выходе из выработанного пространства. Для подсвежения исходящей из лавы струи нужно подавать только 600 м. куб./мин воздуха, чтобы уменьшить утечки воздуха из очистного пространства.