Способ проведения горных выработок в метаноопасных шахтах

Для того чтобы успешно и, главное, долговременно эксплуатировать шахту, опасную по метану, необходимо, в первую очередь, качественная подготовка очистного фронта работ, который должен соответствовать всем нормам безопасности. На первые места выходят вскрывающие и подготавливающие горные выработки, которые пройдены, в основном, по углю или по углю с подрывкой боковых пород. При этом скорость проведения подготовительных работ существенно снижается в связи с возрастанием выделения метана и в забое, и с боков выработки. Здесь речь идет только о шахтах с повышенным содержанием метана, потому что именно в них при подготовке к прохождению новых горизонтов и выемочных участков темпы производства подготовительных работ по проведению горных выработок имеют решающее значение.

В Краснодонецком шахтоуправлении, которое в данный момент отрабатывает пласт m18, относительная газообильность которого составляет  106.5 кубометра на тонну, возникла потребность в проведении  навстречу проводимому сверху вниз по углю фланговому шурфу №1 с подрывкой породы длинной сбойки снизу вверх также по углю под углом 14°. Но применение буровзрывного способа по условиям безопасности недопустимо на шахте, где уровни выделения метана превышают установленные нормы, тем более по углю. К тому же и сам пласт антрацита имеет коэффициент крепости угля 2-2.5 по шкале профессора М. М. Протьодьяконова, поэтому его обработка с использованием других применяемых способов выемки угля в таких экстремальных условиях также не представляется возможной.

Среди всех угольных шахт ОАО «Ростовуголь», антрацит Краснодонецкого шахтоуправления по степени крепости занимал передовые позиции, что затрудняло использование в лавах для выемки угля струговые установки, так как основной рабочий орган струга не в состоянии скалывать уголь такой большой крепости.

В итоге руководство шахтоуправления приняло решение, которое виделось большинству сомнительным – проходить выработку, используя для выемки угля старый проверенный способ – с помощью отбойных молотков, предварительно увлажняя пласт.

В центре выработки пробурили шпур с параметрами 2х1.4 м, глубина бурения составила 2.5 метра. Затем в пласт залили под давлением 11 МПа (110 атмосфер) воду, которая по качественным характеристикам была схожа с питьевой. Процесс продолжался на протяжении 1-1.1 часа. Закачка воды продолжалась до тех пор, пока давление не начало резко падать. Во время процесса нагнетания воды явственно был слышен треск различной степени громкости, который сопровождался глухими ударами. В это же время в забой с помощью вентиляторов местного проветривания нагнетался воздух в количестве 300 кубометров в минуту. Замеры свидетельствовали, что содержание метана в воздухе не превышало допустимых правилами безопасности нормативных показателей. После того, как прекратилось нагнетание в пласт воды, двое рабочих очистного забоя начали прохождение выработки с помощью отбойных молотков, при этом забой до конца смены продвинулся на 2 метра. Такая процедура повторялась в цикле в течение нескольких последующих смен. После того, как заканчивалась выемка угля, периодически из забоя бурили шпуры в бока выработки с целью определения глубины зоны увлажнения. В среднем она составляла 1-1.2 метра. Естественно, что при переходе этой зоны и бурении сухого антрацита сопротивление резко возрастало, и из пробуренного шпура выделение метана увеличивалось достаточно заметно. За сутки таким экстраординарным способом рабочие проходили 8 метров выработки, а за месяц до сбойки – 182 метра. Таким образом, эксперимент с отбойными молотками признан успешным.

Что особенно радует, за весь период проведения данной выработки не было зафиксировано ни одного случая превышения концентрации метана допустимых норм правил безопасности.

В это же время шурф №1 проходили сверху вниз  стандартным буровзрывным способом с применением раздельной выработки угля и породы. Проветривание забоя осуществлялось с помощью вентиляторов местного проветривания, при этом подавалось около 300 кубометров воздуха в минуту. Когда до сбойки шурфа по углю, проводимой снизу вверх, оставалось около 100 метров, после каждого этапа взрывных работ по углю в шурфе три раза проводили газовые съемки, при этом количество выделяемого метана достигало критических значений.

Таким образом, выемка угля из шурфа №1 традиционным буровзрывным способом показала, что при этом количество выделяемого метана за сутки превышало в 1.7-2 раза количество газа, выделяемого во встречном забое, который проходили с использованием отбойных молотков после предварительного увлажнения пласта. Почему так происходит, объяснилось несколько позже.

В процессе нагнетания воды в пласт в нем возникают различные физические и химические реакции. Под влиянием большого давления в угле происходит разрыв связей, вследствие чего намного уменьшается показатель его крепости с вероятным образованием наночастиц ни микро- и макроуровнях.

Последние исследования в области нанотехнологий доказали, что нейтральные твердые вещества, к которым относится и антрацит, при разрушении до мельчайших частиц в сочетании с окружающей средой (в нашем случае это вода) приобретают новые физические и химические свойства, и вступают в реакцию с веществами, которые присутствовали в угле в связанном виде. А уголь содержит целый комплекс оксидов, химических элементов, сложных частиц. При взаимодействии с водой освобожденные оксиды CaO и MgO вступают в химическую реакцию и образуют гидроксиды кальция - Ca(OH)2и магния Mg(OH)2, которые наряду с другими мельчайшими частицами заполняют образовавшиеся в породе трещины, тем самым препятствую проникновению через породу метана. В обычных условиях метан относится к инертным газам, химически он соединяется только с галоидами, или галогенами. А все галогены, как известно, легко растворяются в воде, легко вступают в различные реакции, их достаточно много в осадочных породах, вероятно, они присутствуют и в угольных пластах.

В процессе нагнетания воды впереди забоя и с боков выработки образовались зоны, которые становились преградой на пути проникновения метана.

Следовательно, вода служит реагентом, влияющим на увеличение количества физических процессов и химических реакций в окружающем твердом веществе. При взаимодействии с водой многие оксиды металлов и неметаллов превращаются в основания и кислоты, а некоторые соли металлов – в кристаллогидраты.

Следует понимать, что количественный и качественный состав  антрацитовой руды на разных угольных месторождениях  может значительно различаться, в зависимости от метаморфизма породы. Такие процессы происходят в земной коре на протяжении сотен миллионов лет в условиях отсутствия кислорода, при высоких давлениях и температурах, куда любые органические вещества попадают в составе других пород исключительно в результате тектонических процессов.

Условия образования угля из органики неодинаковы для разных окружающих сред. Чаще всего уголь образуется в торфяных болотах, в участках озер с мощным донным осадком, в морских лагунах.

При этом уголь, образовавшийся в морских лагунах, содержит примеси химических элементов, характерных для самой морской воды - Cl, Na, Mg, S, Ca, K, C, Br, B, Sr, F, N, Li, Rb, P, I, Fe, Zn, Mo. К примеру, в одном килограмме морской воды содержится около 19 грамм хлора, 1 грамм магния и в среднем около 35 грамм различных солей.

При этом содержание соединений различных элементов в угле, который образовался в торфяных болотах или в осадочных накоплениях пресных водоемов, значительно отличается от угля из морской среды.

В связи с тем, что очень многие элементы и их соединения в составе каменного угля, образовавшегося в разные геологические эпохи и в разной среде, сильно отличаются, очень желательно предварительное проведение лабораторного анализа угля из каждого нового пласта и его пачек, поскольку они могут принадлежать к разным эпохам и средам.

Полученная в результате лабораторных анализов информация даст возможность максимально грамотно  составлять проект разработки выработок, насыщенных газом, обеспечить максимальную скорость ее подвигания в пределах правил безопасности, позволит определять содержание метана в забое и с боков выработки, при этом появляется возможность варьирования схемами расположения скважин, с помощью которых происходит нагнетание воды в пласт, их длиной, которая равняется циклу подвигания забоя в глубину за 1 смену или за сутки, оперировать оптимальными значениями давления во время нагнетания воды в пласт, временем самого процесса нагнетания, и, как результат, устанавливать наиболее оптимальные параметры для максимального снижения уровня выделения метана при прохождении выработки.

Со временем накопится большое количество статистических данных, влияющих на количественные характеристики выделения метана, и с помощью соответствующих математических и статистических методов можно будет определять оптимальные значения этих параметров еще на стадии проектирования.

При этом достаточно важно, чтобы проходческий комбайн добывал породу, которая должна содержать  в основном крупные фракции угля, которые содержат с своем составе метан, который из забоя поступает в транспортные выработки и затем на поверхность. Такая схема достигается, если правильно подбирать схемы резания и скалывания рабочим органом комбайна угольных пластов в забое. Для улучшения этого процесса возможно изменение конструкции проходческих комбайнов – а это уже на совести конструкторов.

На первый взгляд может показаться, что бурение скважин по углю в газонасыщенных подготовительных выработках с последующим увлажнением – это только дополнительные расходы. Но это не так. Эти расходы очень быстро окупятся при условии, что работы будут организованы таким образом, что увеличение скорости подвигания выработок будет сочетаться с подготовкой новых горизонтов и выемочных участков с лавой, при этом не будут допускаться временные разрывы в подготовке, где много времени уходит на дегазацию выемочного участка, включая дегазацию неразгруженных пластов. Итогом подготовительных мероприятий станет  увеличение нагрузки на лаву, а это – прямой путь к концентрации горных работ, то есть тому фактору, который является определяющим для роста экономики.

Выводы

Газовая съемка выработки, осуществленной по углю снизу вверх с выемкой угля с помощью отбойных молотков после упреждающего увлажнения, с позиций знаний, полученных в нанолабораториях, дает возможность объяснить те возможности увеличения скорости проведения метаносодержащих выработок, которые ранее не были известны.

Дальнейшее объединение научно-производственной базы, совершенствования и повсеместного распространения данного метода позволит достигнуть устойчивых темпов проведения выработок с повышенным метановыделением до показателей порядка 1000 метров в месяц. Это позволит своевременно подготавливать выемочные участки и развивать шахту в последующем. Это касается только начальных этапов.  В дальнейшем увеличение скорости проведения выработок существенно зависит от возможности снижения выделения метана. На данный момент в Федеральной службе по интеллектуальной собственности зарегистрирована заявка на способ проведения горных выработок в шахтах с повышенным содержанием метана №2010142317.

Перед началом использования  данного способа проведения газонасыщенных выработок по углю с подрывом боковых пород рекомендуется проведение следующих подготовительных мероприятий:

1. Выполнить лабораторный анализ породы угля из пласта или пачки с целью выявления элементов, способных образовывать новые соединения под воздействием воды.
2. В горной массе угля определить наличие мельчайших частиц с помощью отсева, установить их вязкость при воздействии на них водой.
3. Определить трещиноватость исследуемого пласта и его кливаж.
4. Подготовить необходимые средства для проведения бурения скважин по углю, нагнетательные установки (предварительно выполнив замеры давления в них и расходы воды), подвод воды как можно лучшего качества (желательно приближенного к питьевой воде), приборы для эпизодического и перманентного замера метана, контроля над объемом поступающего в забой воздуха.
5. Пробурить скважины из выработки длиной, которая будет равна планируемому циклу подвигания выработки за смену.
6. Нагнетать воду в пласт с непрерывным измерением количества выделяемого метана, давления воды, ее расхода и времени нагнетания.
7. Пройти выработку со скоростью, которая не должна превышать скорость выделения метана и должна находиться в пределах, допустимых правилами безопасности, на величину увлажненного пласта.
8. В зоне увлажнения пласта периодически бурить шпуры с целью определения ширины увлажнения, которая выступает  в качестве барьера в процессе активного выделения метана, по наличию выхода увлажненного  штыба со шпура, вплоть до момента начала повышения крепости угля и до момента увеличения выхода метана из шпура.
9. На последующих этапах проведения выработки найти с помощью изменения параметров, к которым относится нагнетание воды, и найти наиболее оптимальный вариант, отвечающий максимальной скорости прохождения выработки с минимальным уровнем выделения метана.

По материалам safeprom.ru