автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Адаптация способов прогноза и предотвращения внезапных выбросов угля и газа к шахтам с гидравлической технологией добычи угля

На ПраВаХ руКОПИСИ

РГБ ОД

1 о МАЯ 2ЯП

КОВАЛЕВ ВЛАДИМИР АНАТОЛЬЕВИЧ

АДАПТАЦИЯ СПОСОБОВ ПРОГНОЗА И ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСОВ УГЛЯ И ГАЗА К ШАХТАМ С ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИЕЙ ДОБЫЧИ УГЛЯ

Специальность 05.26.01 - «Охрана труда»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 2000

Работа выполнена в Государственном Восточном научно -исследовательском институте по безопасности работ в горной промышленности (ВостКИй) VI на ОАО «Шахта «Красногорская»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Егоров П.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Пузырев В.Н.;

кандидат технических наук, профессор Лудзиш B.C.

Ведущее предприятие - ОАО УК «Кузбассуголь»

2000 г. в /Очасов на заседании

Зашита состоится _

диссертационного совета К 155.02.01 при Государственном Восточном научно-исследовательском институте по безопасности работ в горной промышленности (ВостНИИ) по адресу: 650002, г. Кемерово, ул. Институтская, 3, факс 42430.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВостНИИ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес совета.

Автореферат разослан ^'/^¿/А^/_2000 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, *< /

кандидат технических наук ^¿/^ >"* 1 1о ' ЛИ ХИ УН

им^ии0 л

и ЪЮ. 160. ЧЧ О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Многолетний опыт применения гидродобычи в Кузбассе покачал, что эта технология по сравнению с «сухой» обеспечивает повышение производительности труда в 1,5-2,5 раза и снижает себестоимость угля на 30-35 %. Именно поэтому, решая проблему вывода предприятий угольной промышленности Кузбасса из кризисного состояния, учеными, специалистами Минтопэнерго РФ и Администрацией Кемеровской области в последнее время .интенсивно прорабатывается вопрос о переводе ряда шахт бассейна на гидравлическую технологию добычи угля. В связи с этим возникает вопрос обеспечения выбрособезопасности на гидрошахтах, на которых глубина разработки приближается к критической по внезапным выбросам угля и газа, а также на отдельных участках «сухих» шахт, где внедрение гидротехнологии в ближайшее время наиболее вероятно.

Гидравлическая технология добычи угля, предложенная профессором B.C. Мучником, получила дальнейшее развитие благодаря усилиям ведущих ученых ВНИИгидроугля, СибГИУ, МТУ и других научно-исследовательских организаций (A.A. Атрушкевича, О.В, Михеева, В.В. Сен куса, Б.М. Стефанюка, В.Н. Фрянова, Б. А. Теодоровича и др.). Однако в области прогноза и предотвращения внезапных выбросов на гидрошахтах и гидроучастках имеется много нерешенных вопросов. Хотя борьбу с внезапными выбросами на них можно вести способами и средствами шахт с «сухой» технологией, одновременное применение операций лну\ технологических процессов - гидравлического и обычного, как показывает практика, экономически нецелесообразно. В связи с этим в диссертационной работе была поставлена задача - разработать комплекс проти-вовыбросных мероприятий, максимально адаптированных к гидротехнологии.

I I »» •*• »л.. ж»-»-» • И'ЛШИП 4_1< ч<-| и пплиинлиио ПЛТРЦ Г 113 О ГТЪ. ЫЛЙ ЙИ.

К 1> |/<МД/ » «■>! (I П1Г1Н' ».'Ч^Ч-' ^<»•1 И «Ч'Ч. ( I и* >«- > ■ »>/< ,ил иицпи-шиип и IV.

• »1 Ми С ГПДрииЛМЧсСКОЙ ДО^ЫЧ^Й уГЛЯ И Пи, их основе

разработать способы прогноза и предотвращения выбросоопасности, адаптированные к гидротехнологии.

Основная идея работы заключается в использовании механизмов разгрузки и дегазации угольного массива близко расположенными нарезными выработками при оценке выбросоопасности и применении энергии воды высоконапорного водовода для её устранения в опасных зонах.

,;. Задачи исследований:

¡установить области применения способов локального и текущего прогноза выбросоопасности при гидравлической разработке крутопадающих угольных пластов системой гюдэтажной гидроотбойки угля и уточнить их параметры;

установить область применения противовыбросного гидромониторного вымывания опережающих полостей и его параметры;

установить области применения способов регионального и локальною (в том числе при вскрытии пластов квершлагами) противовыбросного увлажнения, угольных пластов водой из высоконапорного водовода и их параметры;. .■•

разработать руководство по предотвращению внезапных выбросов угля и газа способами и средствами, адаптированными к гидрошахтам Кузбасса..:

Методы исследований: анализ литературных источников, физическое моделирование, геофизический контроль, шахтные эксперименты, статистическая обработка данных экспериментальной проверки предложенных решений в шахтных условиях.

Защищаемые научные положения:

при рафабогке крут опадающих пластов системой подэтажной гидроотбойки угля потенциально выбросоопасные зоны могут выявляться

только в процессе вскрытия пластов, проведения аккумулирующих штре-к'ок и других пырлботпк пол меж\'частковымм целиками вышележащих п л ас го в;

на гидрошахтах Кузбасса при прочности угля q > 0,75 у.е. региональное и локальное противовыбросное увлажнение угольных пластов целесообразно осуществлять через группу скважин, одновременно подключаемых к высоконапорному водоводу, или через одиночные скважины при расходе (подаче) воды в скважину, устанавливаемом в зависимости от выхода летучих веществ из угля или по минимальному радиусу кривизны на графике зависимости расхода воды от давления нагнетания;

при прочности угля q < 0,75 у.е. в качестве локального способа борьбы с внезапными выбросами целесообразно применять гидромониторное вымывание опережающих полостей в виде веера, создающего опережающую щель;

при вскрытии пластов квершлагами для борьбы с внезапными выбросами угля и газа целесообразно нагнетать в пласт воду в режиме гидрорыхления через группы скважин, подключаемых к высоконапорному водоводу, при расходе воды, устанавливаемом в зависимости от выхода летучих веществ;

технические средства контроля параметров нагнетания воды, вентили управления расходом и напором воды и другая запорная арматура кон-ар>кции ВНИИгидроуголь обеспечивают надежную противовыбросную гидрообработку угольных пластов водой из высоконапорного шахтного водовода.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов н рекомендаций обеспечивается:

использованием при решении поставленных научных и практических задач последних достижений в области прогноза и предотвращения

о и Г! и!. IV и'-!ппмг'пц лп'чу к п г п Пт п ТР Т| т Т I*4 Т!»Г»ПИРЙ .......................... ----.------------ ---,------

этих явлений;

благоприятными результатами контроля эффективности способов предотвращения внезапных выбросов, адаптированных к гидротехнологии добычи угля.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- выявлена область применения локального и текущего прогноза вы-бросоопасности при гидравлической разработке крутопадающих угольных пластов;

установлено, что оптимальные параметры регионального и локального увлажнения угольных пластов (в том числе при вскрытии пластов квершлагами) определяются в зависимости от выхода летучих веществ из угля или по участку экспериментальной кривой расхода воды от давления нагнетания с минимальным радиусом кривизны, а их обеспечение осуществляется с помощью вентилей управления расходом и напором воды и другой запорной арматуры, регулирующих отбор воды из высоконапорного шахтного водовода в скважину;

установлено, что при наличии в угольном пласте пачки нарушенного угля прочностью менее 0,75 у.е. и мощностью более 0,25 м опережающая щель при противовыбросном гидромониторном вымывании шириной 0,25 м должна располагаться в плоскости наслоения со стороны лежачего бока пласта в пределах контура выработки на глубину до 9 м. Если пласт представлен нарушенным углем на всю мощность пласта, опережающую щель с теми же параметрами следует располагать горизонтально;

экспериментально подтверждена надежная работоспособность контрольно-измерительного и регулирующего оборудования и запорной арматуры конструкции ВНИИгидроуголь для противовыбросного увлажнения пластов при использовании воды из высоконапорного водовода.

!пчjiLiií ¿*;ВТО{)П СОСТОИТ!

в выявлении шахт и участков в Кузбассе, на которых должна применяться гидравлическая добыча угля с предварительным прогнозом и предотвращением выбросоопасности;

в установлении закономерностей размещения выбросоопасных зон при применении системы подэтажной гидроотбойки угля;

в разработке способов предотвращения внезапных выбросов угля и газа, адаптированных к гидротехнологии добычи угля;

в организации и проведении шахтных экспериментальных исследований по установлению оптимальных параметров способов противовыб-росной обработки пластов с использованием технических средств гидротехнологии.

Практическая ценность работы состоит в том, что ее результаты позволяют.

исключить работы по прогнозу и предотвращению внезапных выбросов _\гля и i аза при проведении и погашении подготовительных (нарезных) и очистных выработок, находящихся под защитой пройденных выше нп удалении до Юм штреков, и при вскрытии пластов квершлагами под пройденным выше квершлагом, если последний удален не более чем на И) м.

снизить затраты на противовыбросные мероприятия на гидрошахтах за счет их адаптации к гидроте.хнологии.

Реализация работы. Разработанные в процессе исследований мероприятия по предупреждению опасности проявления внезапных выбросов чля и газа, адаптированные к гидротехнологии добычи угля, включены в Руководство по прогнозу и предотвращению внезапных выбросов угля и газа на гидрошахтах Кузбасса. Данное Руководство внедрено на шахте «Красногорская» АО УК «Прокопьевскуголь».

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались нз Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии угледобычи и углепереработки» (Кемерово, 1998), на Международной конференции «Проблемы безопасности и совершенствования горных работ (Мельниковские чтения)» (Москва - Санкт-Петербург, 1999), на III Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (Кемерово, 1999), на научных семинарах лаборатории борьбы с внезапными выбросами угля и газа ВостНИИ (Кемерово, 1999, 2000 гг.)

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 9 печатных работах и в бассейновом руководстве.

Структура п объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, приложения, содержит 130 страниц машинописного текста, в том числе 25 таблиц, 23 рисунка, список литературы из 71 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Выбор направлений исследований

Комплексный технико-экономический анализ показателей работы шахт с «сухой» технологией добычи угля и гидрошахт показал, что при существующем уровне техники и технологии отработки крутонаклонных и крутых пластов любой мощности, в особенности в сложных горногеологических условиях (в том числе на выбросоопасных) у гидравлической технологии нет конкурентов. Сегодня гидротехнологией добывают уголь на шахтах «Красногорская», «Зиминка», им. Калинина, «5-6», «Коксовая», «Юбилейная» и «Полосухинская», она начала применяться на шахтах «Нагорная», «Байдаевская», «Карагайлинская», «Бунгурская», «Анжерская-Южная» и «Северный Маганак». Планируется строительство

жилых ;i£!C'i ков для доработки запасов h приконтурной зоне разрезов

¡¡О r![,J"H i м,!\1 rnrM'rv'pM Очпп^'л !! н vjn.^n rripijup р?.бОТЬ! достигли

критических по фактор_\ выбросоопасности глубин или приближаются к ним, когда необходимо применять комплекс противовыбросных мероприятий. который включает прогноз выбросопасности (региональный, локальный) ц способы предотвращения внезапных выбросов в опасных зонах (региональные и локальные, в том числе при вскрытии пластов квершлагами).

Современный уровень изученности проблемы внезапных выбросов угля и газа позволяет практически для любых горно-геологических и горнотехнических условий выбрать соответствующий способ устранения опасности этих явлений, но все они разработаны для шахт с «сухой» технологией добычи угля. Однако для достижения максимальной экономической эффективности эти способы должны как можно более естественно вписываться в гидравлическую технологию отработки пласта, адаптироваться, те. использовать преимущественно основное оборудование и технологические операции гидротехнологии. Кроме того, подготовка выемочного участка к гидроразработке на крутых пластах имеет особенности, которые moi ут повлиять на объемы работ по локальному и текущему прогнозу выбросооласности. В связи с изложенным работа выполнялась по следующим основным направлениям:

1 Изучение особенностей формирования выбросоопасных зон при подготовке крутонаклонных и крутых пластов к разработке с помощью гидро-гехнологии.

2 Разработка способов предотвращения внезапных выбросов за счет энергии воды высоконапорного водовода.

3. Обоснование наиболее приемлемых к гидротехнологии как региональных способов предотвращения внезапных выбросов, так и локальных (в том числе при вскрытии пластов квершлагами).

3 а ч) ОТО С П О С í* О í í О vT м

л и ■• »о

рофг*Ли'чТ*»чwCivwí* r»íZipco5pci6oTKoíí

стов на «сухих» шахтах, при сё осуществлении на гидрошахтах. 5. Разработка руководства по применению способов предупреждения внезапных выбросов угля и rasa на гидрошахтах Кузбасса.

2. Совершенствование текущего прогноза выбросоонасности для подготовительных выработок на гидрошахтах

Действующими нормативными документами для шахт России рекомендуется применять метод текущего прогноза выбросоопасности, основанный на измерениях начальной скорости газовыделения и выхода бурового штыба из шпуров. Проведенные исследования позволили установить. что показания выхода бурового штыба не оказывают существенного влияния на результаты прогноза. Особенно это характерно для шахт Про-копьсвско-Киселевского района, где расположено большинство действующих гидрошахт Здесь учет выхода штыба дает уменьшение ошибки второго рода лишь на 2 - 5% . Это позволило сделать вывод, что текущий прогноз, выбросоопасности на гидрошахтах Кузбасса можно осуществлять по одному параметру - начальной скорости газовыделения из шпуров.

Гидравлическая технология добычи угля особенно эффективна на крутых и крутонаклонных пластах. В этих условиях применяется система разработки с подэтажной гидроотбонкой при расстоянии между подэтаж-ными штреками 10 м, когда нижележащий подэтажный штрек проводится под отработанным пространством вышележащего подэтажа. Проведенные на шахте «Красногорская» исследования показали, что вследствие разгружающего и дегазирующего влияния выработанного пространства верхнего подэтажа наличие выбросоопасных зон при подготовке нижележащего

подэтажа исключаемся и в этих случаях нижележащие подэтажные штреки можно проводить без текущего прогноза выбоосоопасности.

Аналогичные результаты получены и при вскрытии пласта иром-квершлагами, расположенными на расстоянии до 10 м друг от друга. В лих случаях вскрытие пласта нижним прамквершлагом под защитой вскрытой верхним нромквершлагом зоны пласта можно считать неопасным без прогноза выбросоопасности (локального).

3. Адаптирование региональных способов предотвращения внезапных выбросов угля и газа к гидрошахтам

Действующие нормативные документы для шахт России рекомендуют в качестве региональных способов предотвращения внезапных выбросов дегазацию или низконапорное увлажнение пластов через длинные скважины Выполненный технико-экономический анализ по «Методике экономической оптимизации вариантов и параметров раздельного и совместного применения дегазации и увлажнения незащищенных выбросоопас-ных пластов» (Кемерово: ВостНИИ, 1980, - 36 с) для пластов I Внутреннего гидрошахты «Красногорская» и IV Внутреннего гидроучастка шахты «Коксовая» показал, что при фильтрационно-коллекторских свойствах млей названных пластов низконапорное увлажнение выгоднее дегазации. Эю подтверждается данными, приведенными в табл. 1.

Поскольку свойства углей, используемых в этих расчетах, типичны для пластов 11рокопьевско-Киселевского района, можно утверждать, что увлажнение и на других гидрошахтах и гидроучастках экономически вы-I однее дегазации.

Другим фактором, свидетельствующим в пользу применения увлажнения на гидрошахтах, является наличие в выработках гидрошахт воды иол давлением в высоконапорном водоводе, которую можно использовать

для увлажнения без использования передвижных насосных установок, применяемых для этих целей на «сухих» тахтах.

Таблица 1

С 'равнителы/ая характеристика параметров, характеризующих эффектность дегазации и увлажнения, для выбросоопаспых пластов I внутреннего гиОрошахты «Красногорская» и IVВнутреннего . ' - гиОроучастка шахты «Коксовая»

Параметры, характери- Дегазация Увлажнение

зующие эффективность способа противовыбросной обработки пласта Шахта «Красногорская» Шахта «Коксо-• вая» Шахта «Красногорская» Шахта «Коксовая»

Продолжительность обра' ботки участка, сут. 121-258 714 50-84 245

Экономические затраты обработки на 1 т угля, у.е. 0,06-0,13 0,07 0,04-0,09 0,02

Известно, что угольные пласты в зависимости от их фильтрацион-но-коллекторских свойств требуют вполне определенных оптимальных параметров нагнетания: давления и расхода (подачи). Эти параметры либо рассчитываются, либо определяются экспериментально. Практика применения увлажнения пластов на «сухих» шахтах Кузбасса показала, что расход воды в скважину в зависимости от водопроницаемости угля и длины фильтрующей части скважины должен составлять от нескольких л/мин до нескольких десятков л/мин (широко применяемые для этих целей насосные установки типа УНВ-2 и УНР-55 обеспечивают, соответственно, предельный расход в 32 и 55 л/мин). Технологический водовод, в который вода подается насосной установкой 12МС-7, позволяет иметь расход до 13000 л;мин. Для регулировки отбора воды из технологического водовода в увлажнительную скважину хорошо зарекомендовал себя вентиль управления ВУ-1, разработанный ВНИИгидроуголь для предварительного ослабления угольного массива нагнетанием воды. Этот вентиль позволяет регулировать расход воды в пределах 0 - 150 л/мин.

Эффективность и сама возможность увлажнения пласта зависит от качества герметизации Практика показала, что при продолжительном увлажнении пласта через длинные скважины при локальном и региональном увлажнении целесообразно применять герметизацию песчано-цементным раствором, т.к. извлечь автоматический гидрозатвор после окончания увлажнения, которое в этом случае обычно проводится длительное время, трудно или даже невозможно.

При герметизации в скважину вводится составная труба диаметром 0.5 дюйма, к нижнему концу которой присоединен отрезок цельнотянутой фуоы с наружным диаметром 20-28 мм, длиной 2,0-2,5 м, с резьбой для навертывания соединительной муфты высоконапорного рукава. Отрезок трубы для подачи раствора вводится в скважину, и её устье тампонируется петой глиной. Песчано-цементный раствор составом 1:2 на водной основе подается в скважину с помощью насоса ВН-18 через короткий отрезок трубы, пока он не потечет в выработку через длинную трубу.

При увлажнении короткими скважинами (шпурами) герметизацию устья скважины удобнее и оперативнее осуществлять автоматическими рукавными гидрозатворами (ГАС-45. Г'АС-60, «Таурус» и др.).

Для обеспечения подачи в скважину расчетного количества воды с оптимальным темпом (расходом) нагнетания на гидрошахтах применяется комплект высоконапорной арматуры, включающий различные вентили (в гом числе и управляемые), высоконапорные рукава и быстроразъёмные соединения элементов арматуры. Эти элементы в сочетании с устройствами контроля давления и расхода воды, герметизаторами и трубами обеспечивают подачу в скважины требуемого количества воды при оптимальных параметрах нагнетания.

Поскольку вода, поступающая в гидрошахту по техническому водоводу. по степени очистки отличается от воды в противопожарно-оросительном трубопроводе на «сухих» шахтах (она более загрязнена),

м ссл сдовзл аСь возможность пря Гу» 5» »^ляя пп гидрошахтах с с р ¡11111 о иьшус* ¡\iiwlv!Ы.Ч их.»•!! рО«<• ЬНС~Н ЗГИСрг^ТСЛЬКЫ X ПрИОСрО<М«• 'IОС<чНП £»1~|£Л»'3 технологической воды на шахте «Красногорская» показал, что содержание в ней твердых веществ после очистки в очистных сооружениях не превышает 10 мг/л. Данные совпадают с результатами измерений других исследователей на ряде гидрошахт Кузбасса. Такое содержание примесей допустимо для эксплуатации манометров и счетчика-расходомера высокого давления типа СРВД. Поэтому указанные приборы можно применять в схеме увлажнения угольного массива от высоконапорного технологического водовода.

'Промышленная проверка показала, что для регионального увлажнения следует подавать воду через группу скважин, одновременно подключаемых к' высоконапорному ставу по схеме, приведенной на рис. 1. При локальном увлажнении пласта, применяемом при его вскрытии или проведении по нему подготовительных выработок, подачу воды необходимо осуществлять через поочередно подключаемые к высоконапорному водоводу скважины. Схема подключения отдельной скважины и применяемое оборудование для установления оптимальных параметров нагнетания приведены на рис. 2.

"Для осуществления качественного увлажнения пласта важно правильно установить параметры нагнетания: давление и расход воды. Инструкцией по безопасному ведению работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля и газа, дается следующее выражение для определения давления нагнетания Р„ в кгс/см2 при низконапорном увлажнении в очень широком диапазоне:

1>Г<Р„ <0,15уИ , (1)

где /У давление газа в пласте, кгс/см2;

у - удельный вес вышележащих пород, т/м3;

Н глубина от земной поверхности, м.

ой

г

Э 4 1

Рис. 1. Схема расположения оборудования и приборов при нагнетании воды в угольны» пласт через группу скважин:

I - участковая задвижка; 2 технологический высоконапорный водовод: 3'— тройник; 4 вентиль управления; 5 — счетчик-расходомер; 6 высоконапорный рукав; 7 — запорный вентиль; 8 накидная гайка; 9 - песчано-цементный раствор; 10 фильтрующая часть скважины

Рис. 2. Схема расположения оборудования и приборов при подключении отдельной скважины к высоконапорному ставу:

1 - участковый высоконапорный водовод; 2 - запорный вентиль; 3 - вентиль управления; 4 - высоконапорный гибкий шланг; 5 - расходомер СРВД-20; 6 - цельнотянутая обсадная труба; 7 - увлажнитель-пая скважина

Если воспользоваться следующим выражением дин определения Рг': Р, =0.012//-0.22 , („М11.0 (2)

то из (I) получим следующую формулу для приближенного определения оптимального давления нагнетания при региональном увлажнении пласта: (0,012Я-0,22) </;, <0,019Я, (в Мпа). (3)

Как видно из этого выражения, верхняя граница оптимального давления нагнетания более чем в полтора раза превышает нижнюю. Низкая точность определения Р„ не исключает брак при осуществлении увлажнения в форме преждевременного прорыва воды в выработки.' Поэтому на гидрошахте «Красногорская» и гидроучастке шахты «Коксовая» были проведены опытные нагнетания насосной установкой УНВ-2м с целью \становления оптимальных значений давления Р„ и темпа нагнетания на один погонный метр фильтрующей части скважины qll Данные приведены в табл. 2.

В процессе исследований было установлено, что эти параметры хорошо коррелируют с выходом летучих веществ из угля \"'"г (см. рис. 3) и описываются следующими выражениями:

Р„ = 12.5ехр(-0,051К'Л"), (4)

с/,. =0.014л/^. (5)

г)ти выражения целесообразно использовать для определения оптимальных параметров регионального увлажнения пластов. При этом оптимизацию режима нагнетания необходимо производить путем регулирования вентилем управления темпа нагнетания воды в каждую скважину. Если регулировка осуществлена правильно и темп нагнетания согласован с фильтрационной способностью пласта, давление воды по мере удаления от

Чернов О И., Пузырев В Н Прогноз внезапных выбросов угля и газа - М/ Недра, 1У79.-296 с

устья скважины будет снижаться до величины давления газа на фронте (|) и л ьтрацно нно го п отока

Таблица 2

Оптимальные параметры нагнетания воды в пласты Прокопьевска-го месторождения с различным выходом летучих из угля

Пласт Марка угля Выход летучих веществ, % Оптимальнь нагнета! Давление Р„, МПа е параметры шя воды Теуп q„, М'/Ч'М

. Безымянный Т 14,2 6,0 0,049

. Мощный Т 16,6 5,5 0,054

Прокопьевский ОС ] 7,8 5,0 0,058

; Лутугинский ОС 16,8 4,8 0,057

! Горелый К 20,0 4,3 0,063

1 Внутренний К 21,0 4,4 0,064

11 Внутренний К 22,0 4,2 0,066

III Внутренний К 22,5 4,0 0,066

IV Внутренний К 23,1 4,0 0,068

; VI Внутренний КЖ 28,2 3,7' 0,076

10 МПа

б

Рн 4

0,10

3/

м /ч м

0,06 Чн 0,04 0,02

А 2

10 15 20 % 30 ydaf -^

Рис. 3. Зависимость давления Р„ (1) и удельного темпа нагнетания воды q„ (2) в пласты от выхода летучих веществ из угля Vй

Разработанная технология регионального увлажнения пласта, адаптированная к гидротехнологии добычи угля, прошла производственные испытания на гидрошахте «Красногорская» и показала высокую эффективность. На обработанном водой участке гшаста в процессе его отработки предупредительные признаки внезапных выбросов угля и газа отсутствовали.

4. Адаптирование локальных способов предотвращения внезапных выбросов угля и газа в подготовительных выработках к гидрошахтам

■ . Действу ющими нормативными документами для шахт России рекомендуются к применению два способа локального увлажнения пласта: низконапорное увлажнение и увлажнение в режиме гидрорыхления. Режим низконапорного увлажнения характеризуется тем, что подача воды осуществляется через существующие в пласте трещины без их развития, что, как показали шахтные эксперименты и промышленные испытания, целесообразно применять на пластах со средневзвешенным по мощности коэффициентом крепости угля, по М.М. Протодьяконову, {<0,7 и с высокой водопроницаемостью. Режим гидрорыхления, характеризующийся тем, что подача воды осуществляется через развивающиеся (растущие) под напором воды трещины, целесообразно применять на пластах с коэффициентом крепости и со средней водопроницаемостью. Низконапорное увлажнение обеспечивает более равномерное распределение воды по угольному массиву, при нем менее вероятен преждевременный прорыв воды в выработку. Гидрорыхление осуществляется за меньшее время и, помимо увлажнения. осуществляется дополнительное разрушение угольного массива, что облегчает гидроотбойку угля, но при очень интенсивном развитии трещин возможен прорыв воды в выработку до момента подачи в скважину расчетного её количества.

РсКОМеИДУ еМЫе ¡ I OpM Í1TÜ В! I L'i М ¡i ДОКуМч/ií ГЦ"!' Д-1'" -J'HX СПОСОООВ ДиУ-

. huí не i .ií ¡.и; с¡^ределястоя s зависимости от веса зы шелелсащпх "срод м имеют большой разброс:

1). < <QJ5yH - для низконапорного увлажнения, (см. 1)

/' = (0,75-^10)// - для гидрорыхления. (б)

Обусловленная этим высокая вероятность преждевременного прорыва воды в выработку побудила провести исследования, направленные на разработку более точного метода определения оптимальных величин давления и темпа нагнетания для каждого конкретного пласта.

Как и в случае регионального увлажнения, более точно для локального низконапорного увлажнения установить давление и темп закачки можно по выходу летучих из угля с помощью выражений (4) и (5).

Еще точнее установить оптимальные значения давления, темпа нагнетания рекомендуется путем одновременной регистрации давления и темпа нагнетания и интенсивности развития трещин. Если темп нагнетания достигает таких значений, что существующие в пласте трещины начинают расти, то это значение темпа нагнетания соответствует предельному для иизконапорного увлажнения пласта. Еще большее увеличение интенсивности развития трещин соответствует переходу к режиму гидрорыхления пласта.

Регистрировать интенсивность развития трещин можно по акустическому или электромагнитному излучению (эмиссии), сопровождающему процесс «скачка» растущей трещины. Одновременный контроль параметров нагнетания и активности акустической эмиссии (числа импульсов акустической эмиссии в единицу времени, каждый из которых сопровождаем «скачок» растущей трещины) показал, что началу развития трещин соответствует область кривой зависимости темпа от давления нагнетания с минимальным радиусом кривизны. Пример зависимости темпа от давления нагнетания приведен на рис. 4. Данные получены при увлажнении

илиста 1 Внутреннего на шахте «Красногорская» через скважину диаметром 100 мм и длиной 50 м, загерметизированную на глубину 17 м песчано-нементным раствором. Одновременный контроль активности акустической эмиссии показал, что начало развития трещин соответствует увеличению

Таким образом, проведя серию опытных нагнетаний по зависимости ц„ /¡7у можно найти оптимальный темп нагнетания для низконапорного увлажнения и темп нагнетания, соответствующий началу гидрорыхления пласта. Зная длину фильтрующей части скважины, можно определить оптимальное значение удельного темпа нагнетания, приходящегося на один погонный метр фильтрующей части скважины. Этот метод установления оптимальных параметров низконапорного увлажнения и гидрорыхления можно считать самым точным из доступных сегодня шахтным инженерным службам, т.к. методы регистрации интенсивности развития трещин по акустическому или электромагнитному излучению пока не вышли из стадии исследований.

Для достижения максимальной экономической эффективности способ предотвращения внезапных выбросов угля и газа должен как можно более естественно встраиваться в гидравлическую технологию отработки пласта ^адаптироваться к ней). Исследования показали, что наиболее совместим с гидротехнологией и технически проще других реализуем способ

давления воды в скважине до 7-9 МПа.

8 МПа 12

Рнс.4. Зависимость темпа нагнетания qн от давления Рн при увлажнении пласта 1 Внутреннего

Р

н

дистанционного вымывания опережающих полостей гидромонитором, т.к.

з\ется при проведении выработок. Контроль эффективности вымывания полостей также не ведет к дополнительным работал! в забое выработки, поскольку длина образующейся полости контролируется составными дюралюминиевыми штангами, а в последнее время эффективность рассчитывается на основании замеров концентрации метана в атмосфере выработки, автоматически проводимых аппаратурой контроля метана (АКМ). Способ этот применяется при наличии в пласте пачки тектонически нарушенного непрочного угля.

Технология проведения способа вымывания полостей гидромонитором отличается от технологии гидровымывания полостей на «сухих» шахтах тем, что гидромонитор управляется дистанционно. При этом оператор гидромонитора находится под защитой предохранительного щита, устанавливаемого в 10-15 м от забоя, тогда как на шахтах с «сухой» технологией перемещение гидроствола со специальной насадкой, подключаемого к насосной установке типа УНР, осуществляется несколькими проходчиками вручную непосредственно у забоя выработки.

Разработанная технология локального гидромониторного вымывания опережающих полостей испытана на трех экспериментальных участках шахты «Красногорская». С этим способом пройдено 510 м подготовительных выработок, в том числе 140 м в зонах мелкоамплитудных дизъюнк-швных нарушений. Контроль эффективности применения этого способа по нормативном}' показателю Яь учитывающему начальную скорость газовыделения и выход бурового штыба из шпуров, во всех случаях свиде-к-.тьствовал, что обработка пласта проведена эффективно.

5. Разработка и совершенствование способов предотвращения внезапных иыирисои >1лн и ийа при искрынш нласюи квершлш ими 5 для гидрошахт

Анализ гидрошахт и эксперименты показали, что при вскрытии пластов квершлагами технологически более совместимым с'гидротехноло-гней противовыбросным способом является увлажнение пласта. Поскольку прочность угля меньше прочности породного массива, отделяющего пласт 01 вырабоичи, вероятность развития породных трещин и прорыва по Ним воды невелика. Поэтому увлажнение вскрываемого пласта целесообразно проводить в режиме гидрорыхления. При этом за счет более высокого темпа нагнетания, чем при низконапорном увлажнении, гидрообработку можно осуществить за меньшее время, а принудительное развитие трещин в угле позволит дополнительно разгрузить угольный массив в зоне вскрытия.

Отбор воды из высоконапорного водовода, герметизация скважин и контроль параметров нагнетания осуществляются как и при региональном у влажнении пласта. Количество и расположение скважин устанавливаются аналогично тому, как это делается для «сухих» шахт. Объем закачиваемой поды рассчитывается исходя из природной влажности угля и необходимости достижения влажности его не менее 6%.

Давление и темп нагнетания определяются в зависимости от выхода летучих веществ угля по соотношениям (4) и (5). Более точное определение их возможно путем анализа экспериментальной зависимости давления огтемпа нагнетания (см. рис. 4).

Адаптированное к гидротехнологии увлажнение испытывапось при вскрытии пласта I Внутреннего на шахте «Красногорская» гидроквершлагами №3 и №4 на гор. -20 м и двумя подэтажными квершлагами (1-го и У-го подэтажей). Контроль эффективности осуществлялся по начальной скорости газовыделения и выходу бурового штыба из

кон i ролbtihi\ ров. Oil овидстсльстбус'! о высокой надежности данного способа увлажнения пласта.

На основании проведенных, исследований разработано Руководство по прогнозу и предотвращению внезапных выбросов угля и газа на гидрошахтах Кузбасса. Данное руководство регламентирует полный цикл про-Iивовыброс'ных мероприятий, включая прогноз выбросоопасности, выбор способов предотвращения внезапного выброса, технологию их осуществления, необходимое оборудование.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой решена актуальная задача адаптации способов прогноза и предотвращения внезапных выбросов угля и газа к шахтам с гидравлической технологией добычи угля; она обеспечивает безопасность по данным явлениям с максимальным использованием гидравлических технических средств.

Основные научные результаты, выводы и практические рекомендации заключаются в следующем:

1 Прогноз выбросоопасности при разработке крутопадающих пластов системой подэтажной гидроотбойки угля имеет следующие особенности: выбросоопасные зоны могут встречаться только при вскрытии пластов. при проведении аккумулирующих штреков и при проведении других выработок под межучастковыми целиками вышележащих пластов.

2 Фильграциопно-коллекторские свойства углей на шахтах Прокопьевско-Киселевского района, работающих по гидротехнологии, таковы, что по срокам осуществления и экономическим затратам противовыбросное региональное увлажнение пластов выгоднее региональной дегазации.

3 Технологическая вода из высоконапорного водовода может использоваться при увлажнении пластов без предварительной очистки.

4. Отбор воды из высоконанорпого водовода, частичная регулировка давления и темпа нагнетания воды в скважины осуществляется с помощью вентиля управления путем дросселирования потока.

5. Наиболее совместимыми с гидротехнологией и эффективными способами предотвращения внезапных выбросов угля и газа являются следующие:

• региональное увлажнение пласта - низконапорное увлажнение или увлажнение в режиме гидрорыхления;

• локальное гидромониторное вымывание веера опережающих полостей при проведении подготовительных выработок;

• локальное гидрорыхление пластов при вскрытии квершлагами.

6 Оптимальные параметры низконапорного увлажнения и гидрорыхления пластов приближенно оцениваются по выходу летучих веществ из угля и более точно определяются экспериментально по графику зависимости темпа нагнетания воды от давления или акусто-эмиссионным методом. 7. Опробованные в процессе промышленных испытаний адаптированные к гидротехнологии способы предотвращения внезапных выбросов угля и газа показали высокую эффективность и рекомендованы к внедрению.

Отработанные технологические схемы осуществления противовыб-росных мероприятий вошли в разработанное по результатам настоящей работы «Руководство по прогнозу и предотвращению внезапных выбросов \ гля и газа на гидрошахтах Кузбасса».

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

I. Рудаков В.А., Шадрин А.В , Ковалев В.А. Область применения, средства и способы борьбы с внезапными выбросами на гидрошахтах// Наукоемкие технологии угледобычи и углепереработки: Труды Международной нау чно-практической конференции. - Кемерово, 1998. - С. 57-58.

2. Особенности обеспечения противовыбросных мероприятии при гидротехнологии добычи угля в Кузбассе; Рудаков В.А., Шадрин A.B., Ковалев В.А., Кнуренко В.А. //Вестн. КузГТУ. - 1998. - №4.-С.27-29.

3. Выбросоопасность угольных пластов шахты «Красногорская» в зонах их вскрытия в нетронутом массиве / Егоров П.В., Рудаков В.А., Шадрин A.B., Ковалев В.А.// Вестн. КузГТУ. - 1998. - №5.-С.14-17.

4. Установление параметров противовыбросной гидрообработки угольных пластов на гидрошахтах Кузбасса/Шадрин A.B., Рудаков В.А., Ковалев В.А., Славников В.Д.//Совершенствование подземной разработки: Материалы конференции, посвященной 70-летию со дня рождения Ю.А. Рыжкова. - Кемерово, 1999. - С. 74-80.

5. Комплексное обоснование параметров противовыбросных мероприятий при гидравлической технологии добычи угля/Рудаков В.А., Шадрин

A.B., Ковалев В.А., Славников В.Д.//Проблемы безопасности и совершенствования горных работ (Мелышковские чтения)' Тез. докладов международной конференции. - Москва-Санкт-Петербург, 1999. - С. 191-192.

6. Егоров П.В., A.B. Шадрин, В.А. Рудаков, В.А. Ковалев, В.Д. Славников. Особенности технологии противовыбросной гидрообработки пластов на гидрошахтах Кузбасса: Информационный лист №106-99.-Кемерово: ЦНТИ, 1999. - 4с.

7. Фрянов В.Н., Егоров П.В., Ковалев В.А., Славников В.Д. Управление геомеханическими процессами при отработке угольных пластов короткими забоями. - Кемерово: Академия горных наук, 1999. - 110 с.

8. Рудаков В.А., Крючков В.И., Славолюбов В.В., Исаев А.Н., Ковалев

B.А. Метод автоматизированного прогноза выбросоопасных зон угольных пластов в крутопадающих подготовительных выработках// Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах: Тез. докл. II Меж-дунар. науч.-прак. конф. /Отв. ред. A.C. Ташкинов: Кемерово, 1998. - С. 5354. - (Кузбас. Гос. Тех. Ун-т).

9. Руководство по прогнозу и пре.лотвращеншп внезапных выбросов угля и газа на гидрошахтах Кузбасса/ Сост.- В С Зыков, В.А. Рудаков (ВостНИИ), А В. Шадрин (КемГУ), В.А. Ковалев, В.Д. Славников (УК «I 1рокопьевскуголь»), A.B. Сурков (Кузнецкое управление Госгортех-надзора РФ). - Кемерово: ВостНИИ, 2000. - 24 с.

ЛР№ 021306 от 10.08.98 Подписано в печать 24.03.2000 Тираж 75 экз. Формат 60x84 1/16 Печать офсетная'^ Печ. л. 1,0. Заказ № 186 Ротапринт ВостНИИ, 650002, Кемерово, ул. Институтская, 3

ВВЕДЕНИЕ.

1. ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЙ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Состояние и перспективы развития гидротехнологии.

1.2. Анализ выбросоопасности на гидрошахтах Кузбасса.

1.3. Направления исследований.

2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕКУЩЕГО ПРОГНОЗА ВЫБРОСООПАСНОСТИ ДЛЯ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК ГИДРОШАХТ.:.

2.1. применяемые на шахтах Кузбасса методы текущего прогноза выбросоопасности.

2.2. Совершенствование метода текущего прогноза выбросоопасности для условий гидрошахт.

2.3. Особенности прогноза выбросоопасности при вскрытии крутопадающих пластов, разрабатываемых системой подэтажных штреков.

2.4. Текущий прогноз выбросоопасности в подготовительных выработках по структуре пласта и начальной скорости газовыделения из контрольных шпуров.

Выводы.

3. АДАПТИРОВАНИЕ РЕГИОНАЛЬНЫХ СПОСОБОВ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСОВ УГЛЯ

И ГАЗА К ГИДРОШАХТАМ.;.

3.1. Обоснование увлажнения длинными скважинами как наиболее оптимального регионального способа предотвращения внезапных выбросов для гидрошахт Прокопьевско-Киселевского района.

3.2. Средства, применяемые для осуществления способов предотвращения внезапных выбросов в условиях гидрошахт.

3.3 Разработка технологии регионального увлажнения пласта.

3.4. Промышленные испытания способа регионального противовыбросного увлажнения пласта на шахте «Красногорская».

Выводы.

4. АДАПТИРОВАНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ СПОСОБОВ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСОВ

УГЛЯ И ГАЗА В ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТКАХ

К ГИДРОШАХТАМ.

4.1. Анализ методик определения оптимальных параметров локального увлажнения пласта.

4.2. Установление оптимальных параметров локального увлажнения пласта акустоэмиссионным методом и их обеспечение на гидрошахтах.

4.3. Установление оптимальных параметров гидровымывания опережающих полостей.

Выводы.

5. РАЗРАБОТКА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБОВ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСОВ УГЛЯ И ГАЗА ПРИ ВСКРЫТИИ ПЛАСТОВ

КВЕРШЛАГАМИ ДЛЯ ГИДРОШАХТ.

Актуальность темы. Многолетний опыт применения гидродобычи в Кузбассе показал, что эта технология по сравнению с «сухой» обеспечивает повышение производительности труда в 1,5-2,5 раза и снижает себестоимость угля на 30-35 %. Именно поэтому, решая проблему вывода предприятий угольной промышленности Кузбасса из кризисного состояния, учеными, специалистами Минтопэнерго РФ и Администрацией Кемеровской области в последнее время интенсивно прорабатывается вопрос о переводе ряда шахт бассейна на гидравлическую технологию добычи угля. В связи с этим возникает вопрос обеспечения выбрособезопасности на гидрошахтах, на которых глубина разработки приближается к критической по внезапным выбросам угля и газа, а также на отдельных участках «сухих» шахт, где внедрение гидротехнологии в ближайшее время наиболее вероятно.

Гидравлическая технология добычи угля, предложенная профессором B.C. Мучником, получила дальнейшее развитие благодаря усилиям ведущих ученых ВНИИгидроугля, СибГИУ, МГГУ и других научно-исследовательских организаций (A.A. Атрушкевича, О.В. Михеева, В.В. Сенкуса, Б.М. Стефанюка, В.Н. Фрянова, Б.А. Теодоровича и др.). Однако в области прогноза и предотвращения внезапных выбросов на гидрошахтах и гидроучастках имеется много нерешенных вопросов. Хотя борьбу с внезапными выбросами на них можно вести способами и средствами шахт с «сухой» технологией, одновременное применение операций двух технологических процессов - гидравлического и обычного, как показывает практика, экономически нецелесообразно. В связи с этим в диссертационной работе была поставлена задача - разработать комплекс противовыбросных мероприятий, максимально адаптированных к гидротехнологии. 5

Цель работы - изучить особенности проявления потенциальной выбросоопасности на шахтах с гидравлической добычей угля и на их основе разработать способы прогноза и предотвращения выбросоопасности, адаптированные к гидротехнологии.

Основная идея работы заключается в использовании механизмов разгрузки и дегазации угольного массива близко расположенными нарезными выработками при оценке выбросоопасности и применении энергии воды высоконапорного водовода для её устранения в опасных зонах.

Задачи исследований: установить области применения способов локального и текущего прогноза выбросоопасности при гидравлической разработке крутопадающих угольных пластов системой подэтажной гидроотбойки угля и уточнить их параметры; установить область применения противовыбросного гидромониторного вымывания опережающих полостей и его параметры; установить области применения способов регионального и локального (в том числе при вскрытии пластов квершлагами) противовыбросного увлажнения угольных пластов водой из высоконапорного водовода и их параметры; разработать руководство по предотвращению внезапных выбросов угля и газа способами и средствами, адаптированными к гидрошахтам Кузбасса.

Методы исследований: анализ литературных источников, физическое моделирование, геофизический контроль, шахтные эксперименты, статистическая обработка данных экспериментальной проверки предложенных решений в шахтных условиях.

Защищаемые научные положения: при разработке крутопадающих пластов системой подэтажной гидроотбойки угля потенциально выбросоопасные зоны могут выявляться 6 только в процессе вскрытия пластов, проведения аккумулирующих штреков и других выработок под межучастковыми целиками вышележащих пластов; на гидрошахтах Кузбасса при прочности угля q > 0,75 у.е. региональное и локальное противовыбросное увлажнение угольных пластов целесообразно осуществлять через группу скважин, одновременно подключаемых к высоконапорному водоводу, или через одиночные скважины при расходе (подаче) воды в скважину, устанавливаемом в зависимости от выхода летучих веществ из угля или по минимальному радиусу кривизны на графике зависимости расхода воды от давления нагнетания; при прочности угля q < 0,75 у.е. в качестве локального способа борьбы с внезапными выбросами целесообразно применять гидромониторное вымывание опережающих полостей в виде веера, создающего опережающую щель; при вскрытии пластов квершлагами для борьбы с внезапными выбросами угля и газа целесообразно нагнетать в пласт воду в режиме гидрорыхления через группы скважин, подключаемых к высоконапорному водоводу, при расходе воды, устанавливаемом в зависимости от выхода летучих веществ; технические средства контроля параметров нагнетания воды, вентили управления расходом и напором воды и другая запорная арматура конструкции ВНИИгидроуголь обеспечивают надежную противовыбросную гидрообработку угольных пластов водой из высоконапорного шахтного водовода.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается: использованием при решении поставленных научных и практических задач последних достижений в области прогноза и предотвращения 7 внезапных выбросов угля и газа в соответствии с современной теорией этих явлений; благоприятными результатами контроля эффективности способов предотвращения внезапных выбросов, адаптированных к гидротехнологии добычи угля.

Научная новизна работы заключается в следующем: выявлена область применения локального и текущего прогноза выбросоопасности при гидравлической разработке крутопадающих угольных пластов; установлено, что оптимальные параметры регионального и локального увлажнения угольных пластов (в том числе при вскрытии пластов квершлагами) определяются в зависимости от выхода летучих веществ из угля или по участку экспериментальной кривой расхода воды от давления нагнетания с минимальным радиусом кривизны, а их обеспечение осуществляется с помощью вентилей управления расходом и напором воды и другой запорной арматуры, регулирующих отбор воды из высоконапорного шахтного водовода в скважину; ч установлено, что при наличии в угольном пласте пачки нарушенного угля прочностью менее 0,75 у.е. и мощностью более 0,25 м опережающая щель при противовыбросном гидромониторном вымывании шириной 0,25 м должна располагаться в плоскости наслоения со стороны лежачего бока пласта в пределах контура выработки на глубину до 9 м. Если пласт представлен нарушенным углем на всю мощность пласта, опережающую щель с теми же параметрами следует располагать горизонтально; экспериментально подтверждена надежная работоспособность контрольно-измерительного и регулирующего оборудования и запорной арматуры конструкции ВНИИгидроуголь для противовыбросного увлажнения пластов при использовании воды из высоконаиорного водовода. 8

Личный вклад автора состоит: в выявлении шахт и участков в Кузбассе, на которых должна применяться гидравлическая добыча угля с предварительным прогнозом и предотвращением выбросоопасности; в установлении закономерностей размещения выбросоопасных зон при применении системы подэтажной гидроотбойки угля; в разработке способов предотвращения внезапных выбросов угля и газа, адаптированных к гидротехнологии добычи угля; в организации и проведении шахтных экспериментальных исследований по установлению оптимальных параметров способов противовыбросной обработки пластов с использованием технических средств гидротехнологии.

Практическая ценность работы состоит в том, что ее результаты позволяют: исключить работы по прогнозу и предотвращению внезапных выбросов угля и газа при проведении и погашении подготовительных (нарезных) и очистных выработок, находящихся под защитой пройденных выше на удалении до 10 м штреков, и при вскрытии пластов квершлагами под пройденным выше квершлагом, если последний удален не более чем на 10 м; снизить затраты на противовыбросные мероприятия на гидрошахтах за счет их адаптации к гидротехнологии.

Реализация работы. Разработанные в процессе исследований мероприятия по предупреждению опасности проявления внезапных выбросов угля и газа, адаптированные к гидротехнологии добычи угля, включены в Руководство по прогнозу и предотвращению внезапных выбросов угля и газа на гидрошахтах Кузбасса. Данное Руководство внедрено на шахте «Красногорская» АО УК «Прокопьевскуголь».

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на Международной научно-практической конференции 9

Наукоемкие технологии угледобычи и углепереработки» (Кемерово, 1998), на Международной конференции «Проблемы безопасности и совершенствования горных работ (Мельниковские чтения)» (Москва -Санкт-Петербург, 1999), на III Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (Кемерово, 1999), на научных семинарах лаборатории борьбы с внезапными выбросами угля и газа ВостНИИ (Кемерово, 1999, 2000 гг.)

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 9 печатных работах и в бассейновом руководстве.

Диссертационная работа написана на основании исследований, выполненных АО УК «Прокопьевскгидроуголь» и КузГТУ под руководством и при непосредственном участии автора в 1985-1999 гг.

В проведении исследований принимали участие сотрудники КузГТУ, ВостНИИ и КемГУ: В. А. Кнуренко, В А. Рудаков, A.B. Шадрин. Автор признателен им за оказанную помощь.

10

Выводы

1. Давления нагнетания при локальном низконапорном увлажнении и гидрорыхлении пласта, определенные в соответствии с нормативными документами в зависимости от веса вышележащих пород, имеют очень широкие области определения, не позволяющие качественно осуществлять

107 противовыбросную обработку пласта. Более точно давление и темп нагнетания определяются с помощью установленных в настоящей работе зависимостей этих параметров от выхода летучих веществ из угля.

2. При отсутствии данных о выходе летучих предельные для низконапорного увлажнения давление и темп устанавливаются по результатам опытного нагнетания и соответствуют области кривой зависимости темпа от давления с минимальным радиусом кривизны.

3. Акустоэмиссионный метод определения оптимальных параметров нагнетания позволяет точно установить давление и темп для низконапорного увлажнения и гидрорыхления.

4. Принято, что при прочности угля более 0,75 у.е. выбросоопасность пласта устраняется низконапорным увлажнением или гидрорыхлением пласта, а при прочности угля менее 0,75 у.е. - гидровымыванием опережающих полостей (щелей) гидромонитором.

5. Установлено, что при наличии в угольном пласте пачки нарушенного угля прочностью менее 0,75 у.е. мощностью более 0,25 м опережающая полость (щель) при противовыбросном гидромониторном вымывании шириной 0,25 м располагается в плоскости наслоения со стороны лежачего бока пласта в пределах контура выработки на глубину до 9 м. Если пласт представлен нарушенным углем на всю мощность пласта, опережающая щель с теми же параметрами располагается горизонтально.

108

5. РАЗРАБОТКА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБОВ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСОВ УГЛЯ И ГАЗА

ПРИ ВСКРЫТИИ ПЛАСТОВ КВЕРШЛАГАМИ ДЛЯ ГИДРОШАХТ

Анализ свидетельствует, что при вскрытии пластов квершлагами наиболее совместимым с гидротехнологией противовыбросным способом является увлажнение пласта. Поскольку прочность угля меньше прочности породного массива, вероятность развития породных трещин и прорыва воды по ним невелика. Поэтому увлажнение пласта целесообразно проводить в режиме гидрорыхления. При этом за счет более высокого темпа нагнетания чем при низконапорном увлажнении гидрообработку можно осуществить за меньшее время.

На основании изложенного, основной целью исследований являлось установление возможности применения гидрорыхления пласта при его вскрытии водой из высоконапорного водовода и оценка его эффективности. 1

Вскрытие пласта 1 Внутреннего, опасного по внезапным выбросам угля и газа, производилось гидроквершлагами № 3 и № 4 на гор. - 20 м и двумя подэтажными квершлагами (1 и V подэтажей) на экспериментальном участке пласта 1 Внутреннего восточного крыла с гидроквершлага №1 гор. - 20 м.

Оба гидроквершлага проходились с применением буровзрывных работ сечением вчерне 19,1 м . Крепление осуществлялось арочной крепью из спецпрофиля СВП-27 с полным перекрытием железобетонными затяжками бортов и кровли. Выработки проветривались вентиляторами СВМ, в забои подавалось 180-210 м /мин воздуха.

Пласт 1 Внутренний мощностью в месте вскрытия 1,6-1,7 м залегает под углом 50°. У почвы расположена пачка слабого перемятого угля

109 с коэффициентом крепости не более 0,6.

Прогнозом по контрольным скважинам были установлены выбросоопасные значения показателя Пс: в месте вскрытия гидроквершлагом № 3 Пс = 11,6 , а гидроквершлагом № 4 Пс = 4,5 (табл. 5.1).

Для гидрорыхления из каждого забоя гидроквершлага в 3 м от пласта бурились 5 скважин для увлажнения и одна контрольная скважина по схеме, показанной на рис.5.1. Скважины увлажнения в режиме гидрорыхления бурились с выходом за контур выработки на 2 м. Скважина для контроля гид-рорыхления располагалась в середине забоя с подъемом 5°. Бурение производилось бурстанком СБГ-1 диаметром 105 мм. Длина скважин - до 8 м.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой решена актуальная задача адаптации способов прогноза и предотвращения внезапных выбросов угля и газа к шахтам с гидравлической технологией добычи угля; она обеспечивает безопасность по данным явлениям с максимальным использованием гидравлических технических средств.

Основные научные результаты, выводы и практические рекомендации заключаются в следующем:

1. Прогноз выбросоопасности при разработке крутопадающих пластов системой подэтажной гидроотбойки угля имеет следующие особенности: выбросоопасные зоны могут встречаться только при вскрытии пластов, при проведении аккумулирующих штреков и при проведении других выработок под межучастковыми целиками вышележащих пластов.

2. Фильтрационно-коллекторские свойства углей на шахтах Прокопьевско-Киселевского района, работающих по гидротехнологии, таковы, что по срокам осуществления и экономическим затратам противовыбросное региональное увлажнение пластов выгоднее региональной дегазации.

3. Технологическая вода из высоконапорного водовода может использоваться при увлажнении пластов без предварительной очистки.

4. Отбор воды из высоконапорного водовода, частичная регулировка давления и темпа нагнетания воды в скважины осуществляется с помощью вентиля управления путем дросселирования потока.

5. Наиболее совместимыми с гидротехнологией и эффективными способами предотвращения внезапных выбросов угля и газа являются следующие:

121

• региональное увлажнение пласта - низконапорное увлажнение или увлажнение в режиме гидрорыхления;

• локальное гидромониторное вымывание веера опережающих полостей при проведении подготовительных выработок;

• локальное гидрорыхление пластов при вскрытии квершлагами.

6. Оптимальные параметры низконапорного увлажнения и гидрорыхления пластов приближенно оцениваются по выходу летучих веществ из угля и более точно определяются экспериментально по графику зависимости темпа нагнетания воды от давления или акусто-эмиссионным методом.

7. Опробованные в процессе промышленных испытаний адаптированные к гидротехнологии способы предотвращения внезапных выбросов угля и газа показали высокую эффективность и рекомендованы к внедрению.

Отработанные технологические схемы осуществления противовыбросных мероприятий вошли в разработанное по результатам настоящей работы «Руководство по прогнозу и предотвращению внезапных выбросов угля и газа на гидрошахтах Кузбасса».

122

1. Митенев В.П. О критерии стоимостной оценки сравнительной эффективности разработки месторождений шахтами и гидрошахтами// Совершенствование способов и средств гидравлической добычи угля: Сб. науч. тр. ВНИИгидроутля. Новокузнецк, 1989. - С. 156-165.

2. Казаков С.П., Атрушкевич A.A., Одиноков Б.П. и др. Развитие гидравлической технологии добычи угля: Обзор/ЦНИЭИуголь.-М., 1992. -32 с.

3. Приказ Министра Топлива и энергетики № 123 от 14.04.1998 «Об образовании комиссии по определению шахт для перехода на гидравлическую добычу угля.

4. Коденцов А.Я. Гидротехнология на шахтах. М.: Недра, 1984. - 320 с

5. Мучник B.C., Голланд Э.Б., Маркус М.Н. Подземная гидравлическая добыча угля. М.: Недра, 1986. - 223 с.

6. Фрянов В.Н. Прошлое, настоящее и будущее гидротехнологии.// Современные технологии разработки полезных ископаемых: Сб. научных работ/ СибГИУ. Новокузнецк, 1998. - С. 44-47.

7. Перспективы развития горнодобывающей промышленности: Тез.123докл. II Международная научно-практическая конференция /Под общей ред. В.Н Фрянова, А.И. Федоренко./СибГГМА Новокузнецк, 1995. - 79 с.

8. Перспективы развития горнодобывающей промышленности: Тез. докл. III Международная научно-практическая конференция /Под общей ред. А.И. Федоренко, В.Н Фрянова./ СибГГМА Новокузнецк, 1996 - 160 с.

9. Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых: Тез. докл. 1 Международная конференция., СибГГМА. Новокузнецк, 1996. - 79 с.

10. Техника и технология разработки месторождений полезных ископаемых: Межвузовский научно-технический сборник. Вып. 3. Новокузнецк, СибГГМА, 1997.- 177 с.

11. Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых: Тез. докл. II Международная конференция., СибГГМА. Новокузнецк, 1997. - 164 с.

12. Современные технологии разработки месторождений полезных ископаемых: Сб. научных работ/ СибГИУ. Новокузнецк, 1998. -207 с.

13. Гидротранспорт угольных шахт/ A.A. Атрушкевич, С.П. Казаков, Б.М. Стефанюк и др. Новокузнецк: КузНЦ АИН РФ, 1994. - 144 с.

14. Атрушкевич A.A. Сравнительный анализ традиционной гидротехнологии и технологии нового уровня. // Современные технологии разработки месторождений полезных ископаемых: Сб. научных работ/ СибГИУ. Новокузнецк, 1998. - С. 48-50.

15. Стефанюк Б.М. Структура воды и осветление шламовых вод физико-элекгрическим способом// Современные технологии разработки месторождений полезных ископаемых: Сб. научных работ/ СибГИУ. -Новокузнецк, 1998. С.51-53.

16. Атрушкевич O.A. Интегрированная подземная технология добычи угля// Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых: Тез. докл. II Международная конференция., СибГГМА. Новокузнецк, 1997. - С. 69-70.

17. Сенкус Вас. Вит. Повышение экономической эффективности работы шахт за счет улучшения качества угля// Современные технологии125разработки месторождений полезных ископаемых: Сб. научных работ/ СибГИУ. Новокузнецк, 1998. - С. 195.

18. Сенкус В.В. Способ подземной переработки угля на гидроучастках с подземным замкнутым циклом// Современные технологии разработки месторождений полезных ископаемых: Сб. научных работ/ СибГИУ. -Новокузнецк, 1998. С. 71-74.

19. Приставка А.Г. Основные принципы создания комбинированной 1 добычи угля// Нетрадиционные и интенсивные технологии разработкиместорождений полезных ископаемых: Тез. докл. II Международная конференция., СибГГМА. Новокузнецк, 1997. - С. 97-99.

20. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах,127склонных к внезапным выбросам угля, породы и газа. Приложение к разделу 5 главы II «Правил безопасности в угольных и сланцевых шахтах». -М.: Недра, 1997. 159 с.

21. Временная инструкция для установления на шахтах Кузбасс, участков пластов, опасных и неопасных по внезапным выбросам угля и газа О.И. Чернов. Кемерово: ЦБТИ Кемеровского совнархоза, 1961. - 25 с.

22. Чернов О.И., Пузырев В.Н. Прогноз внезапных выбросов угля и газа. -М.: Недра, 1979.-296 с.

23. Ольховиченко А.Е. Начальная скорость газовыделения в прогнозировании внезапных выбросов угля и газа в Донбассе// Уголь Украины. 1966. - №8. С. 49-50.

24. Иванов Б.М., Гаврилова М.М. Исследования характера газовыделения из шпуров, пробуренных в выбросоопасных (угольных)' пластах// Уголь. 1971. ~ №7. - С. 57-60.

25. Перспективные схемы использования защитных пластов на шахтах Кузнецкого, Карагандинского и Печорского бассейнов. Л., 1983. 163 с.

26. Систематизированные данные по внезапным выбросам угля и газа на шахтах восточных и северных месторождений страны. IE.С. Розанцев, И.Г. Медведев, Л.П. Петров и др. Кемерово: КузНИИшахтострой,1974.- 428 с.

27. Зыков B.C., Горохов В.А. Исследование газодинамической реакции128угольного пласта// Безопасность труда в промышленности. 1982. - № 4. -С. 47-49.

28. Выбросоопасность угольных пластов шахты «Красногорская» в зонах их вскрытия в нетронутом массиве/ П.В. Егоров, В.А. Рудаков, A.B. Шадрин, В.А. Ковалев// Вестн. КузГТУ, 1998. №5.-С.14-17.

29. Руководство по использованию разгружающего действия полевых выработок, проводимых вблизи крутых выбросоопасных пластов (Донецк, ЦБНТИ, 1991).

30. Методика экономической оптимизации вариантов и параметров раздельного и совместного применения дегазации и увлажнения незащищенных выбросоопасных пластов. Кемерово: ВостНИИ, 1980, - 36 с.

31. Чернов О.И., Черкасов B.C., Горбачев А.Т. Движение жидкости в угольных пластах. Новосибирск: Наука, 1981. - 129 с.

32. Гонтов А.Е., Экбер Б.Я., Маркус М.И. Научно-технический прогресс в области гидравлической добычи угля: обзор/ ЦНИЭИуголъ.-М., 1983. -61 с.

33. Голланд З.Б., Рыбакова Т.А. Экономическая оценка технологического развития угледобычи. Новосибирск: Наука, 1985. - 128с.

34. Шахты Кузбасса: Справочник/В.Е Брагин, П.В. Егоров, Е.А. Бобер и др. Под ред. П.В Егорова и Е.А. Бобера. М.: Недра, 1994. - 352 с.

35. Гнилорыбов Я.И., Охрименко В.А. Пути повышения эффективности подземной гидравлической добычи угля. М.: Углетехиздат, 1959. - 206 с.

36. Временное руководство по применению метода профилактической обработки угольных пластов жидкостью для ведения одновременной борьбы с внезапными выбросами угля и газа, горными ударами, газовыделением и угольной пылью. Кемерово, 1966. - 76 с.

37. Вологодский В.А. Факторы, способствующие повышению эффективности увлажнения угольного массива// Нагнетание воды в угольные пласты. М.: Недра, 1970. С. 109-119.

38. Приборы, аппаратура и оборудование для прогноза и борьбы с внезапными выбросами угля и газа (каталог-справочник). М.: ЦНИЭИуголь, 1970. - 126 с.

39. Москалев А.Н., Васильев JI.M., Мнодецкий В.Р. Предельное равновесие трещин в угольном пласте при нагнетании в него жидкости. -ФТПРПИ, 1979, № 5, с.91-96.

40. Методика определения оптимальных гидравлических параметров локальной гидрообработки выбросоопасных угольных пластов с использованием сейсмоакустического метода/ ВостНИИ. Кемерово, 1986. -19 с.

41. Грешников В.А., Дробот Ю.Б. Акустическая эмиссия: Применение для испытаний материалов и изделий. М.: Издательство стандартов, 1976. - 272 с.

42. Шадрин A.B., Зыков B.C. Акустическая эмиссия выбросоопасных пластов. Обзорная информация, ЦНИЭИуголь. М., 1991 .-42 с.

43. Управление геомеханическими процессами при отработке угольных пластов короткими забоями/ В.Н. Фрянов, П.В. Егоров, В.А. Ковалев, В.Д. Славников В.Д. Кемерово: Академия горных наук, 1999. - 110 с.

44. Борисенко A.A. Применение опережающих полостей и щелей для предотвращения внезапных выбросов. В сб.: Технология добычи и обогащения угля в Печорском бассейне, вып. 6. М.: Недра, 1970, с.145-154.130

45. Болыиинский М.И., Рубинский A.A., Фридман И.С. О проведении выработок с предварительным гидровымывом. Уголь, 1982, № 3, с.22-24.

46. Фоминых Е.И., Асташин К.И., Ералин Н.Е. Область применения гидровымывания опережающих полостей в Карагандинском бассейне// Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело, 1972, № 1 (55).-С. 22-23.

47. Выявление области применения гидровымывания опережающих полостей на выбросоопасных пластах./ Е.С.Розанцев, А.Н.Умрихин, В.Ф. Карманов и др. Тр. /ВостНИИ, т. 16, Безопасность работ в угольных шахтах. М.: Недра, 1972, с.70-78.

48. Руководство по применению способов предотвращения внезапных выбросов угля и газа с использованием технических средств гидрошахт в Кузбассе. Кемерово, 1985. - 9 с.

49. Коденцев Л.Я. Проведение восстающих горных выработок способом гидромеханизации. Донецк: Донбасс, 1972. - 52 с.

50. Инструкция по расчету гидроотбойки угля/ ВНИИГидроуголь. Сост.: Цяпко Н Ф. Новокузнецк, 1974. - 16 с.

51. Особенности обеспечения противовыбросных мероприятий при гидротехнологии добычи угля в Кузбассе / Рудаков В.А., Шадрин A.B., Ковалев В.А., Кнуренко В.А. //Вестн. КузГТУ. 1998. - №4.-С.27-29.

52. Выбросоопасность угольных пластов шахты «Красногорская» в зонах их вскрытия в нетронутом массиве / Егоров П.В., Рудаков В .А., Шадрин A.B., Ковалев В.А.// Вестн. КузГТУ. 1998. - №5.-С.14-17.

53. Комплексное обоснование параметров противовыбросных мероприятий при гидравлической технологии добычи угля/Рудаков В.А., Шадрин

54. A.B., Ковалев В.А., Славников В.Д.//Проблемы безопасности и совершенствования горных работ (Мельниковские чтения): Тез. докладов международной конференции. Москва-Санкт-Петербург, 1999. - С.191-192.

55. Егоров П.В., A.B. Шадрин, В.А. Рудаков, В.А. Ковалев, В.Д. Славников. Особенности технологии противовыбросной гидрообработки пластов на гидрошахтах Кузбасса: Информационный лист №106-99,-Кемерово: ЦНТИ, 1999. 4с.

56. Фрянов В.Н., Егоров П.В., Ковалев В.А., Славников В.Д. Управление геомеханическими процессами при отработке угольных пластов короткими забоями. Кемерово: Академия горных наук, 1999. — 110 с.

57. Рудаков В.А., Крючков В.И., Славолюбов В.В., Исаев А.Н., Ковалев

58. C. 53-54. (Кузбас. Гос. Тех. Ун-т).

59. B.C. Зыков, В.А. Рудаков (ВостНИИ), A.B. Шадрин (КемГУ), В.А. Ковалев, В. Д. Славников (УК «Прокопьевскуголь»), A.B. Сурков (Кузнецкое управление Госгортехнадзора России).

60. Руководство.» предназначено для использования службами прогноза внезапных выбросов угля и газа, геолого-маркшейдерскими службами, участками профилактических работ по ТБ и участками ВТБ шахт Кузбасса под методическим контролем ВостНИИ.

61. Ответственный за выпуск канд.техн.наук В.А. Рудаков1341. П. 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

62. В подготовительных выработках для предотвращения внезапных выбросов угля и газа применяется также дистанционное гидровымывание опережающей щели при помощи гидромонитора по пачке тектонически нарушенного угля.135

63. Региональное 'и локальное нагнетание воды в режиме низконапорного увлажнения применяется на пластах со средневзвешенным по мощности коэффициентом крепости угля 0,6 < £ < 0,7 по М.М. Протодьяконову, а в режиме гидрорыхления при Г> 0,7.

64. Схемы расположения скважин и параметры регионального и локального нагнетания воды принимаются в соответствии с действующими нормативными и нормативно-методическимидокументами.

65. Г1.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКОЙ ГЛУБИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ ВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСОВ УГЛЯ И ГАЗА

66. Н() глубина залегания ГТМЗ, м; V- выход летучих веществ из угля, %;§гас1х- градиент метаноносности, м3/т/100 м, F содержание фюзинита,%;а угол падения пласта, град; - угол дизъюнктива, град.

67. Минимальные значения критических глубин появления внезапных выбросов угля и газа для участков угольных пластов и шахт с гидравлической технологией разработки приведены в табл. П. 1.