книги из ГПНТБ / Карагодин Л.Н. Способы борьбы с внезапными выбросами угля и газа

кутков, образованных исполнительными органами комбайнов, т. е. в зоне концентрации напряжений. Поэтому при проведении подго­ товительных выработок по выбросоопасным пластам необходимопридавать сечению выработки такую форму, которая позволяла бы избежать концентрации напряжений на контуре.

Известно, что наименьшим коэффициентом концентрации каса­ тельных напряжений и наименьшим радиусом влияния обладает

Рис. 89. Комбайн для выбросоопасных пластов со сложной струк­ турой

круглая форма поперечного сечения. В этом случае главные каса­ тельные напряжения быстро уменьшаются за контуром выработки. Кроме того, распределение касательных напряжений вокруг выра­ боток с круглой формой поперечного сечения намного равномернее, чем при других формах сечений. Поэтому круглая форма попереч­ ного сечения является наиболее устойчивой.

На поверхности забоя также нежелательно иметь резких пере­ ходов, где могут концентрироваться большие касательные напря­ жения, т. е. сопряжение забоя и стенок выработки должно быть плавным.

Исходя из этого, рабочий орган проходческого комбайна для пластов, склонных к внезапным выбросам угля и газа, желатель­ но выполнять в виде полусферы с внешней выпуклостью, одновре­ менно служащей предохранительным щитом.

§ 34. АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ РЕЖИМА РАБОТЫ ПРОХОДЧЕСКИХ КОМБАЙНОВ

Как уже отмечалось, скорость изменения напряженного состоя­ ния пласта впереди забоя, от чего во многом зависит выбросоопасность пласта, может меняться при переходном режиме работы комбайна, например при изменении скорости проходки или проч­ ностных свойств угля. В этих условиях желательно автоматиче­ ское регулирование режима работы исполнительного органа ком­ байна.

Исследования, проведенные для выявления различий в вели­ чине деформаций на слабых и прочных углях, показали, что при одинаковых параметрах нагружения необратимые деформации сла-

бого угля гораздо больше, чем угля прочного. Однако при прове­ дении выработок по слабым углям отношение приращения дефор­ маций на каком-либо интервале к приращению деформаций на том же интервале, но при другой скорости проходки, будет тем же, что и для крепких углей. Это позволяет'считать, что проведение выра­ боток по углю с постоянной прочностью не вызывает различий в коэффициенте неравномерности деформации Де на участках проч­ ного или слабого угля. При проведении выработок по участку пла­ ста, сложенному углем неравномерной прочности, положение ме­ няется.

Если прочный уголь, по которому проводилась выработка, сме­ няется перемятым (такие условия свидетельствуют о повышении вероятности возникновения выброса), то даже при равномерной скорости проходки коэффициент КЕ возрастает. При изменении же в этой переходной зоне скорости проходки, в частности при ее сни­ жении, неравномерность деформирования возрастает в еще боль­ шей степени. Эти положения отчетливо видны из рис. 90, построен­ ного для интервала 5—6 м от забоя. Из графика, например, вид­ но, что при переходе со скорости 0,4 м/ч на 0,3 м/ч К& =9,2, а при переходе к скорости 1 м/ч К= 1,5.

Следует отметить, что повышение коэффициента неравномер­ ности деформации с уменьшением скорости проведения выработки происходит лишь при переходе от одной скорости к другой. Отсю­ да нельзя сделать вывод, что проходка с низкими темпами подви­ гания выработок сама по себе более опасна, чем проходка с вы­ сокими темпами.

Полученные данные показывают, что в случае постоянной проч­

при этом уменьшилась и прочность угля, то величина коэффициен­ та Ке возрастает до 11,4, т. е. в 4 раза.

Сказанное приводит к выводу, что при уменьшении прочности угля снижение коэффициента Кг могло бы "быть достигнуто повы­ шением скорости проходки. Однако при этом повышается градиент газового давления. Учитывая совместное влияние газового фактора и изменения напряжений, следствием которых являются деформа­

рассматривалось выше при резком, скачкообразном изменении ско­

через промежуточные значения. Здесь встает вопрос о необходимо­ сти такой регулировки режима работы исполнительного органа проходческого комбайна, которая бы «находилась в соответствии со свойствами угольного массива. Это может быть обеспечено ав­ томатическим регулированием режима работы комбайна.

Необходимо также иметь в виду, что рассмотренный переход­ ный процесс и все особенности, связанные с ним, относятся к редко встречающемуся на практике случаю — резко изменяющейся проч­ ности угля и изменению скорости проходки именно на этом участ­ ке. Наиболее часто переход в пласте от одной прочности угля к другой происходит постепенно.

Как уже отмечалось, требование равномерного изменения на­ пряженного состояния для выбросоопасных пластов означает:

а) для участков с изменяющимися свойствами (мощностью, структурой) — т снижение скорости проведения выработки в слу­ чае приближения к зонам с малой устойчивостью угольного мас­ сива по отношению к разрушающим нагрузкам. При этом скорость подвигания забоя должна изменяться с применением автоматиче­ ского регулирования режима работы комбайна;

б) для участков пластов с неизменными свойствами — равно­ мерное подвигание забоя с определенной скоростью;

в) во всех случаях после остановки забоя—плавное достиже­ ние рабочей скорости.

Режим работы комбайна определяется изменением нагрузки на рабочий орган, которая, в свою очередь, зависит от условий за­ рубки (т. е. крепости угля, наличия породных прослойков, затупле-

ния зубков). Чтобы поддерживать нагрузку в определенных пре­ делах, необходимо изменять скорость подачи, скорость резания или одновременно оба этих параметра. У существующих проходче­ ских комбайнов требуемый результат может быть достигнут авто­ матическим регулированием скорости подачи. В дальнейшем, при конструировании специальных проходческих комбайнов, потре­ буется автоматическое регулирование совместно скорости подачи

Однако стоит крепости угля увеличиться, как потребляемый ток

мости прочности (крепости) угля и скорости подвигания комбай­ нового забоя (с повышением крепости угольного массива скорость проходки должна уменьшаться и наоборот). Условно назовем по­

сложенные прочным, устойчивым углем, менее склонны к внезап­ ным выбросам угля и газа, чем пласты с перемятым, нарушенным углем. В общем случае принято считать, что опасность пластов увеличивается с понижением прочности угольного массива. Следо­ вательно, с позиций уменьшения опасности выбросов авторегули­ рование должно обеспечивать такой режим работы комбайна, при котором на участках пластов с прочным углем скорость проведе­ ния выработки возрастает по сравнению со скоростью подвигания комбайнового забоя по перемятому углю. Подобный принцип авто­ регулирования может быть назван «прямым».

Автоматическое регулирование скорости подачи может быть осуществлено на основе оценки сопротивляемости угля разруше­ нию при его резании (А, кгс/см). Этот критерий совокупно отра­ жает влияние механических свойств угля, состояние массива под действием горного давления и фильтрации газа, а также изменение

=56+208 кгс/см.

Взабоях подготовительных выработок, проводимых по пластам,' склонным к внезапным выбросам, изменение сопротивляемости ре-

занию свидетельствует о степени опасности призабойной зоны угольного массива. В качестве порогового значения сопротивляе­ мости угля разрушению при резании в опасных зонах пластов может быть принято А = 100 кгс/см.

Исходя из предельных значений А и рабочей скорости подви­ гания забоя ~ор режим авторегулирования должен обеспечивать последовательное переключение скорости подачи комбайна по сту­ пеням У,,= 1,5; 3; 4,5; 6; 9 м/ч при соответствующем изменении со­ противляемости угля резанию по интервалам: А = 0-н50; 5и—100; 100—150; 150—200; 200—250 кгс/см.

При пуске комбайна регулятор будет обеспечивать постепен­ ное и плавное увеличение скорости подачи от нуля до величины,

нию ниже порогового предела у комбайнов может предусматри­ ваться сигнализация, после срабатывания которой необходимо отключить машину или перейти на дистанционное управление для безопасного пересечения выбросоопасной зоны.

§ 35. УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НА ВЫБРОСООПАСНЫХ ПЛАСТАХ

При проведении подготовительных выработок механизирован­ ным способом во время отбойки угля комбайном резко возрастает газовыделение (это не относится к случаям работы в защищенной зоне). При этом на выбросоопасных пластах, характеризующихся высоким давлением газа и газонасыщенностыо, при высоких тем­ пах проведения выработок возникают значительные трудности в борьбе с газом и в проветривании забоя. Практически уже в на­ стоящее время комбайны не могут работать на полную мощность.

Исследованиями А. А. Мясникова установлено, что в выработ­ ках, проводимых комбайнами с исполнительным органом непре­ рывного действия (типа ПКХ-3, «Караганда-7/15»), метановыделение из призабойной части при работе комбайна увеличивается и, достигнув максимума, сохраняется примерно на одном уровне, обусловленном максимальной метаноносностью данного пласта. В выработках, проводимых комбайном ПК-3 (4ПУ), метановыделение из призабойной части является более равномерным и в меньшей1 степени зависит от режима работы комбайна, что связа­ но с дренированием части обнаженного массива и равномерным поступлением воздуха в открытый забой.

увеличивается до 5—6%.

В настоящее время простои комбайнов из-за значительного вы­ деления метана на шахтах, как правило, не регистрируются. На?

блюдения, проведенные на шахтах Воркутского месторождения, показали, что после каждых 5—7 мин работы комбайна избира­ тельного действия по отбойке угля на проветривание забоя затра­ чивается 10—15 мин.

Значительная работа по изысканию эффективных способов борьбы с метаном и методов автоматического контроля его содер­ жания в подготовительных выработках была проведена кафедрой

20Q '400 600 800 /ООО 1200 IW 1600 160О 2000 22Ш Количество боздуха Q, м3/йин

•Рис. 91. Количество необходимого воздуха для разжиже­ ния метана в призабойной пространстве при различной

Для замера концентрации метана подготовительные выработки по их длине разбивали на участки, в которых замеряли сечение вы­ работки, концентрацию метана и скорость движения воздуха. Было установлено, что в ряде случаев содержание метана у рабочего органа достигает 7—9%. В остальной части выработки оно резко уменьшается и в 25—30 м от забоя стабилизируется.

Учитывая значительное газовыделение при работе проходче­ ских комбайнов, рассчитанную скорость проходки с применением профилактических мероприятий необходимо проверять по количе­

принятого способа борьбы с выбросами. На рис. 91 приведены рас­ четные количества воздуха в зависимости от скорости подвигания забоя для природной газоносности пласта х 0 = 2 0 м3 /т и различных сечений выработок.

Сила внезапных выбросов угля и газа, измеряемая количеством выброшенного угля и выделившегося газа, зачастую не превышает

ЗО—40 т угля и 2000—3000 м 3 газа. Но в отдельных случаях эти цифры достигают 300—500 т угля и 50 000—100 000 м3 газа.

При незначительной силе выброса дальность отброса угля от забоя, как правило, не превышает 15—20 м.

Однако даже на этом сравнительно небольшом расстоянии ото­ рванный от массива уголь, выносимый газовым потоком, обладает

Гранулометрический состав выброшенного угля может быть весьма различным, и здесь прослеживается следующая закономер­ ность. Увеличение количества выделяющегося газа ведет к воз­ растанию в выброшенном угле мелких, пылевидных фракций и на­ оборот. Распределение фракционного состава угля на различном удалении от забоя при выбросе на пласте Владпмировском шахты «Северная» показано в табл. 29.

Если при выбросах низкой интенсивности, при которых преоб­ ладают крупные фракции угля, разрушение крепи и оборудования происходит прежде всего именно этими кусками, то при выбросах значительной силы уголь оказывается во взвешенном состоянии в газовой среде и разрушения связаны с газовой динамикой потока.

Иногда при внезапных выбросах даже небольшой силы крепь выработок и установленные в них механизмы бывают разрушены. Это объясняется тем, что выбросы в ряде случаев носят характер отжима угля из забоя. Выдвигающийся при этом целик угля лома­ ет все на своем пути. Ряд подобных выбросов отмечен на шахтах Кузбасса и Воркутского месторождения.

внезапное высвобождение при мгновенном разрушении предельно напряженной области угля.

В ряде случаев при проведении выработок на шахтах Воркутского месторождения проходческими комбайнами последние при выбросах оказывались засыпанными углем вплоть до перегружа­ теля. При этом электроэнергия на комбайне оставалась не снятой.

На пластах, опасных по внезапным выбросам угля и таза, не­ обходимо защищать электрооборудование комбайна не только от последствий возможного выброса, но и от интенсивного газовыделеиия, связанного с отбойкой и резанием угля.

Вопрос о безопасном применении электроэнергии на пластах, подверженных внезапным выбросам угля и газа, при проведении

оборудования с повышенной механической надежностью. Комбайн должен иметь систему быстродействующего опережающего отклю­ чения, дублируемого автоматической газовой защитой;

2) переводом проходческих комбайнов, работающих на выбро­ соопасных пластах, на гидропривод.

При проведении горных выработок комбайнами в результате внезапного выброса возможны механические повреждения элек­ тродвигателя комбайна, электроаппаратуры или кабеля и тогда возникает опасность образования электрической искры. Поэтому электроаппаратура и кабель должны быть защищены опережающей токовой защитой, причем время ее срабатывания должно быть меньше времени образования электрической искры при коротком замыкании.

В некоторых случаях после внезапного выброса электродвига­ тели, аппаратура и кабели механических повреждений не имеют. При этом конструктивные особенности современных электродвига­ телей и аппаратуры практически исключают возможность искрообразования. Тем не менее дублирование газовой защитой опережающегр отключения необходимо, так как в случае опрокидывания воздушной струи при выбросе и наличия поврежденного элек­ трооборудования или кабеля в выработках, смежных с проводимой выработкой, может произойти взрыв метана. Поэтому датчики на метан должны устанавливаться на всем пути возможного движе­ ния воздушно-газовой смеси (как на исходящей, так и на свежей струе) и отключать электроаппаратуру раньше, чем струя с опас­ ной концентрацией метана достигнет установки.

Достоинства и недостатки каждого вида защиты приведены в табл. 30.

Газовая защита применительно к механизированному проведе­ нию подготовительных выработок имеет некоторые преимущества, но вместе с тем ей присущи и существенные недостатки. Ее посто­ янное («ложное») срабатывание, связанное с повышенным газо­ выделением в процессе отбойки угля исполнительным органом ком­ байна, вынуждает отодвигать датчик на метан от забоя, что ухуд-

Это значительно усложняет строительство, а впоследствии и до­ бычу угля, сдерживает темпы развития горных работ н ухудшает технико-экономические показатели. При составлении проектов но­ вых и реконструируемых шахт, на которых предусматривается раз­ работка выбросоопасных пластов, следует предусматривать такие системы разработки и технологические схемы ведения горных ра­ бот, которые препятствовали бы развитию внезапных выбросов и обеспечивали бы возможность применения мероприятий по устра­ нению выбросоопасности до начала ведения подготовительных и •очистных работ.

При составлении проекта шахты проектные организации долж­ ны предусматривать:

бурение разведочных скважин в местах проходки стволов и

геологическое обслуживание в процессе строительства.

При вскрытии свит крутых пластов, включающих выбросоопасные пласты, закладку вертикальных стволов следует предусматри­ вать в лежачем боку свиты для исключения возможности их подра­ ботки, уменьшения потерь угля в целиках под промплощадку, а также для того, чтобы избежать пересечение выбросоопасных пла­ стов. При необходимости пересечения стволами пластов, склонных к внезапным выбросам, место заложения стволов обосновывается технико-аналитическим анализом с учетом фактора выбросоопас­ ности.

При решении вопроса о числе одновременно разрабатываемых пластов должны учитываться их сближенность, качество угля и наличие защитных пластов. Срок первоочередной отработки защит­ ного пласта при переходе горных работ на новый горизонт должен приниматься с учетом обеспечения защитного действия для свое­ временного развития горных работ на опасном пласте. В режиме работы участков шахт, разрабатывающих выбросоопасные пласты, должно предусматриваться время на выполнение в каждом забое специальных мер по предупреждению внезапных выбросов угля и газа.

Для снижения опасности развязывания внезапных выбросов угля и газа следует предусматривать разработку выбросоопасных пластов столбовой системой, обеспечивающей комплексную меха­ низацию очистной выемки и применение региональных способов борьбы с выбросами. Во всех случаях, независимо от глубины ве­ дения работ, угленасыщенностн и числа пластов, склонных к вне­ запным выбросам угля и газа, следует проектировать блоковый способ подготовки с независимым проветриванием каждого блока.

При проектировании разработки угольных пластов, являющихся одновременно опасными по внезапным выбросам и горным ударам,