книги из ГПНТБ / Проходка шахтных стволов в условиях выбросоопасных пластов

Д л я

стволов

оценка

возможности

опрокидывания

вентиляцион ­

ной

струи

особенно

в а ж н а

при

углубке

воздухоподающих

ство­

лов . Распространение газо-воздушной

волны по углубляемому ство­

л у

зависит,

кроме

всего,

от

способа

проветривания

ствола.

Известно,

что

при

проходке

и

углубке

стволов

могут

быть

применены

два

способа

проветривания -— нагнетательный

и

вса­

с ы в а ю щ и й

(рис.

2) .

Принципиальное

отличие

этих

способов,

имеющее

значение

при

ре-

R

шении

данного

вопроса —

это

'направление

движения

воздуха

по

сечению

ство­

л а :

в сторону

з а б о я

ство­

л а

или

от

него.

б)

Д л я

схемы

(рис.

2,

любое

повышенное

выделе­

ние

газа

может

привести к

з а г а з о в а н и ю

углубляемого

ствола

и прилегающих

-вы­

работок .

Поэтому

в

д а л ь ­

нейшем

будет

рассмотрен

ff

вопрос

оценки

опрокидыва­

ния

струи

до

действующего

горизонта

по

схеме,

приве­

ü

денной на р.ис. 2, а.

Оценка

давления

на

Рис

2. Схемы

проветривания

углуб­

ф р о н т е

распространяющего ­

ляемого

ствола:

с я

по

стволу

газо-воздуш-

а — нагнетательная:

б — всасывающая

ного потока

в а ж н а

не

толь­

(сплошными

стрелками

показано

направ­

ко д л я

определения

воз­

ление

д в и ж е н и я

в о з д у х а

по

стволу;

пунк­

тирными — направление

д в и ж е н и я

газа

в

можности

распростране ­

момент

выброса)

ния

газа по

стволу,

но

и

д л я охраны или расчета различного

рода

перемычек

(или

дру­

гих сооружений), возводимых в выработках вблизи ствола .

Величина

избыточного

давления

на

фронте

газо-воздушного

потока

104 ,

(1.2)

где

рпл

— д а в л е н и е газа

в

пласте,

кгс/м 2

(мм

вод.

с т . ) ;

Ѵ*л

— приведенный к давлени ю

в пласте объем выде­

лившегося

газа,

м 3 ;

5

— сечение ствола,

м2 ;

V « — д л и н а рассматриваемого

участка

ствола,

м;

к—показатель

а д и а б а т ы

(для

метана

и = 1 , 3 ) .

П р и н я в длительность выноса угля в выработку при выбросе &

среднем

2 с

[17], согласно з а к о н а м

д в и ж е н и я воздуха

по

в ы р а б о т ­

к а м [18],

имеем

hB =

~f,

(I.3>

где R — аэродинамическое

сопротивление

ствола,.

L

кгс/с 2 /м 2 ;

— объем выделившегося

газа,

приведенный

к

а т ­

мосферному давлению, м3 .

Сопротивление

воздуха,

поступающего

в

ствол

д л я

его

п р о ­

ветривания,

определяется из

в ы р а ж е н и я

A„p =

/?Qn

2 p ,

'

(І.4>

где

QnP —количество

воздуха,

необходимое

д л я

проветри ­

вания ствола, м 3 /с .

/

Приняв,

что

на конечной

стадии расширения газа

выполняется

соотношение

РпЯКі

=

Р*гкК,

(1.5)

и подставив

его

и

(1.3-й 1.4)

в

( I . I ) , имеем

( s i ) *

V

4

;

v

'

К а к

видно из

в ы р а ж е н и я

( I .

6),

величина

АР

определяется

в

основном объемом газа, выделившегося при выбросе.

Известно, что

количество

газа,

которое

может

быть

з а к л ю ч е н о

в угле, равно сумме количества

газа,

сорбированного

углем

и

объема

свободного газа :

.ха

= хс + Ѵ„,

(1.7)

Хц — суммарное

(полное)

количество

газа в

угле,

хс

см3 /г;

— количество

газа, сорбированного

углем,

см 3 /г ;

Ѵюв — объем свободного газа,

см3 /г.

Количество

сорбированного

газа

определяется

из

у р а в н е н и я

Л э н г м ю р а

X c

= _ ^ L -

( І .8>

Т а б л и ц а

3

Шахта

Пласт

а

ь

«Коксовая»

14,63

0,275

13,33

0,129

15,38

0,114

19,29

0,100

15-, 93

0,156

18,31

0,282

16,49

0,211

14,27

0,155

20,57

0,083

11,32

0,433

21,50

0,068

16,97

0,081

19,78

0,215

16,91

0,111

20,92

0,120

12,17

0,319

10,87

0,261

10,37

0,351

14,02

0,110

23,96

0,109

Им .

Ворошилова

15,96

0,171

18,69

0,073

•

16

0,184

Количество свободного

г а з а в условиях

приведенного оценочно­

го расчета м о ж н о принять

равным 10% от общего количества

газа .

С учетом того, что уголь

и после

разрушения

(давление 1 кгс/см 2 )

•содержит газ, м о ж н о определить

разность г а з о с о д е р ж а н и й

угля при

д а в л е н и и

газа

в массиве

и эффективную

метаноемкость

х3ф при

атмосферном

давлении . Р е з у л ь т а т ы

расчетов

при давлении

газа

5;

10; 20; 30; 40 кгс/см 2 дл я углей Прокопьевского района

К у з б а с ­

с а

сведены в табл . 4.

Т а к и м образом, по величине эффективной метаноемкости

угля

представляется в о з м о ж н ы м оценить

количество газа,

участвующе ­

го в выбросе, если известна

сила

выброса по углю . Пр и этом

н у ж н о

заметить,

что в ы б р а с ы в а е м ы й уголь

дробят неравномерно

и

поэто­

му не весь газ успевает десорбироваться

из угля за время

выброса .

С. А.

Христианович

[19], например,

принимает, что в

процессе

выброса

участвует 20%

десорбирующего

газа, В. В.

Ходот

рас­

с м а т р и в а е т коэффициент'десорбции

г а з а

з а время выброса

равным

Т а б л и ц а

4

Сорбцнонная

Потенциаль­

Давление

ная общая

Эффективная

метаносмкость

метано-

метаноемкость

газа, к г с / с м 2

угля л'с ,

емкость

* з ф , см Ѵ г

с м 3 / г

угля хп, с м 3 / г

5

7,7

8,5

6,9

10

10,4

11,5

9,9

20

12,5

13,7

12,1

30

13,5

14,8

13,2

40

14,1

15,5

13,9

не более 0,5. П р и м е м дл я расчета

наиболее известные

условия, ког ­

да

в выбросе

участвует

половина

с о д е р ж а щ е г о с я

в угле газа . Тогда

количество

газа, участвующего в

выбросе

Ѵ0

= О,50х э ф ,

м3 ,

(І.9>

где

G — сила

выброса по углю, тс.

З а д а в ш и с ь

р е а л ь н ы м значением силы

выбросов,

м о ж н о

оценить

и реальное

количество газа

(табл . 5).

Т а б л и ц а 5

Количество газа ( м а ) , участвующего в выбросе

силой,

тс

Давление газа,

к г с / с м 1

10

50

100

500

1000

5

34,5

172

345

1720

3450

10

49,5

232

495

2320

4950

20

•

60,5

300

600

3000

6000

30

66,0

330

660

3300

6600

40

70,0

350

700

3500

7000

Исходя

из данных табл . 5, дл я этого

количества

газа

произве ­

ден

расчет

избыточного

д а в л е н и я ' г а з а

при разной длине

рассмат ­

риваемого

участка

ствола.

Р а с ч е т избыточного

д а в л е н и я

произведен

по

в ы р а ж е н и ю

(1.6).

Исходные

д а н н ы е

д л я

расчета:

DCTTI

— 7

м;

а =

100-10- 4

к г с - с 2 / м 4

(с

учетом

сопротивления

проходческих

полков);

Qnp=10 м 3 /с ;

Рпл=

154-20 кгс/см 2 .

Р е з у л ь т а т ы

расчетов

сведены в табл . 6.

К а к

видно

из д а н н ы х т а б л . 6, при углубке

стволов

с ш а г о м уг -

лубки

100 м

выброс силой

более

20 тс угля

и 100 м 3

газа

м о ж е т

в ы з в а т ь опрокидывание

струи воздуха д а ж е

при

в с а с ы в а ю щ е й

схеме проветривания . Практически все у г л у б л я е м ы е

воздухоподаю -

Т а б л и ц а 6

Избыточное давление (мм вод. ст . ) на выходе

Сила выброса

Количество

газа,

из ствола

глубиной, м

по у г л ю , тс

участвующего

в выбросе,

м 3

•10

80

100

150

До

10

50

115

45

35

19

20—30

100

290

114

49

100

500

2,3.103

900

670

360

200

1000

5,6.103

2,2.103

1,6.103

0 , 8 - Ю 3

500

3000

2,2.10-»

8 , 3 - Ю 3

6,0 . 10 3

2,6.103

Около

1000

5000

4,3-10'

1,6.10*

1,1.10*

4,2.103

П о данным

табл . 6 т а к ж е м о ж н о сделать вывод о влиянии в ы б ­

роса в случае углубки воздухоподающих

стволов.

Строгое решение задачи о дальности

распространения

г а з о ­

воздушного потока по в ы р а б о т к а м действующего горизонта

весьма

затруднительно

ввиду динамичности

х а р а к т е р а

газопроявления и

непостоянства

его во времени. К тому

ж е дл я разделения стволов

на группы вполне достаточно оценки возможности

распространения

метана в прилегающие к стволу выработки околоствольного

д в о р а

Так,

ориентировочные

расчеты,

проведенные

дл я

случая разделе ­

ния

газо-воздушного

потока

по стволу

с

D = 7

м и

в ы р а б о т к е

S = 20 м 2 с атмосферным

давлением на

действующем

горизонте

100 мм вод. ст. показали,

что давление на фронте

газо-воздушного

Ч т о касается

стволов,

нейтральных в отношении вентиляции,

они д о л ж н ы

быть

отнесены

к одной

группе с

воздухоподающими

стволами . В

то ж е время

в

о з м о ж н о

отнесение

их т а к ж е к группе

циальными

перемычками .

Таким образом, по степени опасности

последствий

возможного-

внезапного

выброса все стволы можно

разделить

на три

группы:

I — вновь проходимые при строительстве

или

реконструкции

шахт;

I I — у г л у б л я е м ы е

воздуховыдающие;

I I I — у г л у б л я е м ы е

воздухоподающие

и нейтральные

по отноше ­

нию к вентиляции действующей шахты .

Выбор способов борьбы с выбросами и обоснование объема ил.

применения

д о л ж н ы

производиться с учетом

разделения

стволов

ризонтными к в е р ш л а г а м и

и вертикальными стволами с э т а ж н ы м и

к в е р ш л а г а м и .

Основными отличиями

этих схем с позиций рассматриваемого

ных пластов, которые,

кроме

числа

пересекаемых пластов, зависят

в первую очередь от числа

принятых

в схеме

вскрытия

стволов.

Анализ факторов, о п р е д е л я ю щ и х выбор

способа вскрытия,

воз­

м о ж н ы е

способы

вскрытия

и рациональное

число

стволов

д л я

р а з л и ч н ы х горнотехнических

условий приведены в табл . 7.

Анализ

данных т а б л .

7 показывает,

что

число стволов,

а следо­

вательно,

и

п р и м е н я ю щ а я с я

схема

вскрытия

зависят

в

основном

•от мощности шахты, размеров шахтного поля и глубины

разработ ­

ки. П р и

вскрытии

незначительного числа пластов на ш а х т а х малой

мощности проводят обычно один ствол при

незначительной глубине

р а з р а б о т к и

и

не

более двух

центрально - сдвоенных при разработке

пластов

на

большой

глубине. Главный

скиповой ствол

при

этом

-служит д л я отвода исходящей струи

воздуха.

На

ш а х т а х

большой

производственной

мощности

существую­

проводят третий

ствол, обычно скипо-клетевой. Он ж е

служит

д л я

вскрытия и подготовки новых горизонтов. Часто д л я

изолирован ­

ного вскрытия и

подготовки нового горизонта проводят

новые

ство­

число

стволов достигает 4—5 и более.

П р и

значительных,

р а з м е р а х

шахтного поля ,

а т а к ж е

при

вскрытии

большого

числа

сближенных

интенсивно

нарушенных

л л а с т о в число проходимых

стволов

достигает 8 и более. Так, на

ш а х т е

«Коксовая» (Кузбасс)

вскрытие осуществлено

т р е м я верти­

к а л ь н ы м и

стволами

в центре шахтного поля и пятью

вентиляцион ­

ными,

пройденными

д л я облегчения

вентиляции в к а ж д о м

из

бло­

ков шахты, выделенных по геологическим

п р и з н а к а м .

З а р у б е ж н ы й

опыт р а з р а б о т к и

т а к ж е

п о д т в е р ж д а е т

необходи­

мость

большого числа стволов. Так,

на

ш а х т а х П Н Р

производст­

венной мощностью 6000 т/сут проводят обычно б—8

стволов

р а з ­

личного назначения [8].

В

общем случае

д л я

ш а х т с

блоковой

подготовкой

шахтного

поля

и секционным

проветриванием

число

стволов

равно

/ г + 2 ,

где п — число отдельных

блоков.

П р и пологом залегании пластов

стволы практически

всегда

рас ­

п о л о ж е н ы в пределах угленосных свит и пересекают

целый

ряд

угольных

пластов.

В

проектах

шахт

будущего, р а з р а б а т ы в а ю щ и х пологие

пласты,

Характеристика горнотехнических условий

Возможные схемы вскрытия

число таких стволов

будет

равно 10

и более .Так, проектом шахты

« Л и с и ч а н с к а я - Г л у б о к а я » в

Д о н б а с с е

при вскрытии свиты

пластов

пологого залегания

предусмотрено проведение

3 главных

стволов,

8 блочных и не менее 4 слепых [10]. К а ж д ы й из

стволов

пересекает

не менее 10—12 угольных пластов на различных

глубинах

(350—1400 м ) . Следовательно, по сравнению с шахтой

обычного

типа д а ж е в условиях пластов пологого залегания при

строитель­

действующих стволов;

углубка двух действующих

стволов;

углубка трех действующих стволов.

В случае з а к л а д к и стволов

в пределах угленосных свит стволы

при их углубке могут пересекать

выбросоопасные

угольные пла ­

сты. При этом необходимость

применения

способов

предупрежде ­

ния выбросов и объемы их будут

зависеть

от принятого варианта

действующих

горизонтов

шахты . В свою

очередь

выбросоопас-

ность пересекаемых угольных

пластов

влияет на

выбор

вариан ­

та

вскрытия

из условий

безопасности при

возможном выбросе

к а к

в

стволе,

так

и

в прилегающих в ы р а б о т к а х

шахты . Н а и б о л е е

безо­

пасным

пз р а с

с м а т р и в а е м ы х

вариантов

вскрытия

новых

горизон­

нологических схем

углубки стволов. Анализ всех

существующих

и применяющихся

способов и схем углубки стволов

с учетом ф а к ­

подъемных

машин, привод которых является потенциальным

источ­

ником

воспламенения или взрыва метана на поверхности

шахты .

В

этой

связи представляют интерес

рекомендации

Е. И. Вят -

кина [14] о

целесообразности вскрытия

крупных шахт,

р а з р а б а т ы ­

дачей

грузового

потока углубляемого

ствола на другие

стволы.

В

этом случае

углубка клетевого

и скипо-клетевого

стволов

тельных з а т р а т для обеспечения

необходимого уровня

безопасно­

сти ведения горных работ. Объем

этих мероприятий и величина до­

полнительных

з а т р а т зависят

от

числа вскрытий угольных

пластов

и глубины, на

которой

происходят эти

вскрытия.

Рассмотрение

схем

вскрытия

шахт Д о н б а с с а

и

Кузбасса, р а з р а б а т ы в а ю щ и х кру­

тые

пласты, показывает,

что

как

число

вскрытий,

т а к

и

глубина,

местоположения стволов на разрезе вкрест простирания

шахтного

поля.

Известно,

что от выбора места

з а л о ж е н и я главных

вертикаль ­

ных стволов

существенно зависит

о б щ а я эффективность

последую­

ного ископаемого от забоев к стволу и обратный грузопоток;

за ­

траты на оплату электроэнергии д л я проветривания; з а т р а т ы

на

терь угля в охранных целиках .

Перечисленные факторы

безусловно

в а ж н ы , однако не учиты­

вается такой существенный

фактор, как

з а т р а т ы на обеспечение

безопасности при вскрытии

выбросоопасных пластов

вертикаль ­

ными стволами . М е ж д у тем,

от местоположения

вертикального

ствола на разрезе вкрест простирания зависит как

число вскры­

тий, так и глубина, на которой будут производиться

эти

вскрытия .

при

этом значительных

дополнительных

затрат,

учет

этого

факто ­

ра обязателен при выборе места

з а л о ж е н и я

вертикального

ствола

проектируемой

или реконструируемой

шахты

( I группа по степени

опасности) .

Принципы

подхода к решению

данной

задачи

оста­

ются прежними: технико-экономическим сравнением

вариантов

отыскивается

район

целесообразного

размещения

ствола, в кото­

ром затрат ы на добычу

1 т

угля

с учетом

точности

расчетов

яв ­

л я ю т с я существенно меньшими по сравнению с в а р и а н т а м и

иного

расположения

ствола.

Полны е учитываемые з а т р а т ы слагаются из затра т на транс ­

портирование

грузов С т р , экономических

потерь

от

оставления

охранных

целиков

С ц , з а т р а т

на

проходку

и п о д д е р ж а н и е

квер­

шлаго в С 1 ; в , з а т р а т

на

электроэнергию

дл я

проветривания

С э

л и

из з а т р а т на обеспечение

безопасности

при вскрытии

выбросоопас­

ных

пластов

С„, т. е.

С = С т р

+

С ц

+

СКВ + СЗЛ +

С в .

(1.10)

Первые

четыре элемента

(1.10) могут

быть

получены

на

основе

известных

решений

в области

проектирования

и экономики

строи­

тельства шахт

[22, 23, 24, 25].

З а т р а т ы

на

борьбу

с

выбросами

при

вскрытии

выбросоопас ­

ных

пластов

забоем

ствола, проводимого с

поверхности

С » = Î S С " р у б "

( І Л І )

где

п — число

вскрытий

при

расположении

ствола

в данном

пункте;

СІ — стоимость вскрытия

одного

пласта, руб..

Стоимость

вскрытия

одного

пласта

W =

'-'const

+

СХ +

СКАП,

руб.,

(1.12)

г д е

CConst — постоянные з а т р а т ы ,

обусловленные

и з д е р ж к а м и

про­

изводства

на определение

выбросоопасности

пласта,

СХ

встреченного забоем ствола, руб.;

— переменные

з а т р а т ы

на мероприятия

по борьбе

с

вне­

запными выбросами, руб.;

Сі.-ап — экономический

ущерб от снижения

эффективности

ка ­

питаловложений в связи с увеличением срока

строи­

тельства шахты на время, равное периоду

профилак ­

тики внезапных выбросов, руб.