книги из ГПНТБ / Технология добычи и обогащения углей в Печорском бассейне [коллектив. моногр

няться) одновременная отработка двух сближенных пластов в пределах одного выемочного участка при опережающей выемке нижележащего защитного пласта. Пример такого случая отработ­ ки пластов показан на рис. 50.

Рис. 50. План горных работ по участку наблюдений:

1—11 — точки наблюдения за изменением количества метана в вентиляционных струях

При опережающей отработке нижележащих пластов и харак­ терной для условий Воркутского месторождения малой мощности междупластий одновременная отработка двух пластов в одном выемочном участке приводит к значительному разрушению толщи пород. При этом, безусловно, возникают благоприятные условия

116

для интенсивного метановыделения из подрабатываемых и надрабатываемых пластов и пропластков. Правомерно ожидать, что в таких условиях возможно ухудшение газовой обстановки в дейст­ вующих выработках на подрабатываемом пласте. Это вызывает необходимость постановки специальных исследований с целью определения газового баланса выемочного участка, путей переме­ щения метана и схем дегазации участка при одновременной отра­ ботке двух пластов в пределах одного выемочного участка.

Исследования проводились при одновременной выемке пластов Четвертого, отрабатываемого первым в свите, и Тройного на шахте № 40 (мощность междупластья 20 м). Совмещенный план горных работ по пластам и расположения дегазационных сква­ жин показан на рис. 50. Исследования заключались в наблюде­ ниях за распределением выделяющегося метана по сети вырабо­ ток обоих пластов при работе и отключении отдельных дегаза­ ционных скважин или группы скважин, а также при полном и длительном отключении всех дегазационных скважин. Дегазаци­ онные скважины на выемочном участке были пробурены по раз­ личным схемам с различными параметрами и предназначались для каптирования метана из различных (практически всех) источ­ ников метановыделения по участку.

Схемы дегазации участка показаны на рис. 50, характеристи­ ки скважин приведены в табл. 26.

Т а б л и ц а 26

117

Поскольку не представлялось возможным разделить метан по источникам его выделения, количество метана, выделяющегося из каждого источника, определялось расчетным путем с учетом по­ правок, сделанных для условий Воркутского месторождения. При этом разница между суммарным расчетным и фактическим метановыделением по участку не превышала 8%. Фактическая абсо­ лютная метанообильность участка за время, наблюдений колеба­ лась от 23,2 до 41,1 м3/мин и составила в среднем 38,2 м3/мин. Сопоставление метановыделения из отдельных источников с коли­ чествами каптируемого различными системами скважин метана и количествами метана, поступающего в выработки, позволило уста­ новить основные пути перемещения метана в породной толще и

сделать следующие выводы.

1. По подработанному пласту Тройному перемещение метана происходит в минимальном количестве. Метановыделение на кон­ вейерный штрек № 512 пласта Тройного, расположенный в непо­ средственной близости к участку подработки пласта, не превыша­ ло 1 м3/мин, что составляет примерно 4% от общей метанообильности лавы № 512 (при полном отключении дегазации).

2. Метан, выделяющийся с подработанного пласта Тройного и его верхних спутников, не попадает в призабойное пространст­ во работающей выше лавы № 412 по пласту Тройному и даже в выработанное пространство этой лавы, так как: при полном от­ ключении дегазации абсолютная метанообильность лавы увеличи­ валась незначительно (до 0,96 м3/мин по исходящей струе) по сравнению со средней метанообильностью при работе дегазации 0,82 м3/мин; в периоды, когда отсутствовали утечки воздуха по лаве № 412, дополнительное количество метана на исходящей струе лавы не обнаруживалось [23].

3. Метан, выделяющийся из подрабатываемых спутников пла­ ста Тройного, способен к перемещению в плоскостях расслоения этих спутников и улавливается скважинами систем А и В. При­ чем эти системы скважин оказались частично взаимозаменяемы­ ми — при отключении скважин В увеличивался дебит скважин А. Однако скважины А улавливают также метан из ранее подрабо­ танных участков спутников, поэтому скважины В не могут пол­ ностью заменить скважин А. Судя по газовому балансу, метан из подрабатываемых спутников при работе дегазации в выработан­ ное пространство лавы № 512 не попадает. При отключении сква­ жин А метановыделение в лаву № 512 почти не увеличивается (абсолютная метанообильность возрастает с 9,8 до 10,1 м3/мин). Хотя скважины системы А каптировали около 10 м3/мин метана, отключение скважин не увеличивало метанообильность лавы № 412, этот метан обнаруживался на уклонах по пласту Тройно­ му выше лавы № 412.

Такой результат является весьма неожиданным, так как сква­ жины системы А пробурены на подрабатываемые вторично лавой №412 спутники.

118

4. Метан, выделяющийся из пласта Тройного на участке его подработки, улавливается скважинами С, Д и Е (примерно 75% общего метановыделения из этого источника), избыток метана поступает в подработанную толщу междупластья пластов Трой­ ного и Четвертого. Из этой толщи метай поступает в вырабо­ танное пространство лавы № 512 и частично мигрирует по этой толще в отработанные ранее подэтажи. При отключении дегаза­ ции увеличилось метановыделение в лаву и заметно увеличилось количество метана на уклонах по пласту Четвертому. Последнее свидетельствует о довольно свободном перемещении метана в пло­ скости выработанного пространства пласта Четвертого. Для уве­ личения эффективности дегазации по полю и шахте целесообраз­ но каптировать метан из междупластья пластов Четвертого и Тройного.

Из всего изложенного можно сделать важный вывод, что опа­ сения о массовом поступлении метана из всей подработанной угленосной толщи в выработки по пласту Тройному не подтверди­ лись. Основной задачей дегазации при одновременной отработке в одном выемочном участке двух пластов является снижение метанообильности очистного забоя по нижележащему пласту, выни­ маемому с опережением. Эта задача является довольно сложной. Несмотря на большое количество действующих скважин, средняя эффективность дегазации по лаве № 512 за период наблюдений составила 58% (рис. 51), что значительно ниже средней эффек­ тивности дегазации по участку по комбинату Воркутауголь. Сред­ нее метановыделение в лаву составило 11,6 м3/мин, что обуслови­ ло значительные трудности с проветриванием. Источниками этого метановыделения в лаву являлись (согласно расчетам): разраба­ тываемый пласт (35% общего метановыделения); нижние спут­ ники (40%); пласт Тройной и верхние спутники (25%).

Пласт Четвертый практически не отдает метан в скважины, пробуренные по пласту, поэтому основными путями увеличения эффективности дегазации является усовершенствование схем де­ газации вышележащих и нижележащих спутников.

Во время наблюдений в лаве № 512 проводились опыты по компрессионному проветриванию -(компрессия создавалась венти­ ляторами местного проветривания), однако компрессия не сказа­ лась на работе дегазационных скважин и эффективности дегаза­ ции по лаве и всему выемочному участку (см. рис. 51).‘

Исходя из результатов настоящего исследования, можно сде­ лать вывод, что особых трудностей в вентиляции и дегазации очистных забоев, действующих на подработанных пластах, не встретится и в других условиях Воркутского месторождения, на­ пример при подработке пласта Мощного пластом Пятым. Однако имеющиеся данные не позволяют сделать определенный вывод о необходимом с точки зрения метанообильности забоев и условий дегазации опережении работ по нижележащему пласту, вынимае­ мому первым в свите. По-видимому, ВО всех случаях желательно

119

соблюдать опережение на один подэтаж, как это имело место на участке, на котором проводились настоящие исследования.

§ 4. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДЕГАЗАЦИОННЫХ СКВАЖИН

На шахтах Воркутского месторождения углы заложения и длина дегазационных скважин, направленных на подрабатывае­ мые пласты-спутники, определяются величиной базы заложения (рис. 52, Б). Этот параметр установлен для всех типовых условий разработки пластов по результатам анализа работы скважин. Ме-

тываемого пласта

тод определения углов заложения, основанный на использовании базы, приведен во временных руководствах по дегазации [24, 25] и на первом этапе развития дегазационных работ считался вполне удовлетворительным.

Однако при расширении области применения дегазации спут­ ников стали выявляться значительные недостатки этого метода. Так, например, скважины, пробуренные с одинаковыми базами в одних и тех же очистных забоях, часто имели значительные рас­ хождения в показателях работы. В связи с этим оптимальные па­ раметры на шахтах, как правило, устанавливались опытным пу­ тем, что вызывало большие затраты на бурение.

В последнее время были рекомендованы несколько способов определения параметров скважин, которые позволили сократить непроизводительные объемы работ по бурению и повысить на­ дежность эффективного использования большей части пробурен­ ных скважин. Предлагаемый метод определения технических па­ раметров, разработанный на основании анализа характера газовыделения в скважины, пробуренные на подрабатываемые спут­

121

ники из откаточного штрека лавы, позволяет еще более повысить надежность эффективного использования скважин.

Наблюдения проводились в 1970 и 1971 гг. в лаве № 137-С шахты «Южная». Лава-этаж длиной 210 м разрабатывает пласт /4 средней мощностью 1,3 м. Угол падения пласта составляет 9°. Относительная газообильность лавы была около 35 м3/т. Отработка выемочного столба производится от границы к центру шахтного поля. В связи с этим вентиляционный штрек погашается вслед за подвиганием лавы, откаточный — поддерживается надштрековыми угольными целиками. Управление кровлей осуществ­ ляется частичной закладкой выработанного пространства бутовы­ ми полосами. Дегазация подрабатываемых спутников произво­ дится скважинами, пробуренными из вентиляционного штрека на­ встречу забою лавы и по направлению линии восстания пласта или под некоторым углом к ней из откаточного штрека. Скважи­ ны из откаточного штрека бурятся по две из одной точки и ими каптируется 75% удаляемого из лавы дегазацией метана. Сква­ жинами, как правило, перебуриваются спутники /5, / ', /6 и /7 (см.

рис. 52), расположенные от пласта Д на расстоянии соответствен­ но 14,1, 15,1, 30,2 и 34,5 м.

Анализ работы скважин выполнялся по результатам замеров дебита метана на 19 скважинах в течение полного цикла, т. е. от начала газовыделения в скважины до его прекращения. В качест­ ве основного критерия оценки эффективности принята продолжи­ тельность периода активной работы скважин при устойчивом де­ бите и высокой концентрации метана в смеси в зависимости от положения ствола скважин в толще подрабатываемых пород. Из­ вестно (26], что угол полного сдвижения горных пород МД для ус­ ловий Воркутского месторождения составляет 55°—0,15 а, или для лавы № 137-С = 55°—0,15 -9° «53°.

На рис. 52 показано, как скважинами в точке О на расстоя­ нии В от кровли разрабатываемого пласта пересекается плоскость угла полного сдвижения МД. Очевидно, что вероятность сообще­ ния скважины в точке О с выработанным пространством лавы будет увеличиваться с уменьшением величины В и, наоборот, с увеличением ■В такая вероятность будет снижаться в связи с по­ степенным затуханием зоны разломов и трещинообразования гор­ ных пород.

В табл. 27 приведены основные параметры для анализа рабо­ ты скважин.

По данным табл. 27 построена кривая (рис. 53), имеющая вид параболы, выражающейся уравнением

245 — 57В

(23)

В — 18

Вид кривой показывает, что длительный период активной ра­ боты скважины обеспечивается при В, равной 13—16 м, что спо­ собствует 10—12-кратной мощности разрабатываемого пласта,

122

та в период быстрого спада дебита и содержания метана в смеси на скважине. Величины а для отдельных скважин взяты из графиков, построенных по результатам замеров дебита и содержа­ ния метана в смеси в течение всего периода их работы.

Увеличение В свыше 12-кратной мощности пласта в этих усло­

скважинами.

В результате наблюдений, проведенных на ряде шахт Воркут-

жайшая к нему точка забоя лавы находятся на стороне угла пол­ ного сдвижения по простиранию Тз, равного 55°. Отсюда рас-

123

стояние между забоем лавы и проекцией забоя скважины на пло­ скость пласта в момент начала газовыделения составит

где h — расстояние по нормали от забоя скважины до кровли раз­ рабатываемого пласта, м.

Интервал между соседними скважинами А определится из выражения

Естественно, это выражение можно принять без изменений только для случая расположения оси скважины в одной верти­ кальной плоскости с линией забоя лавы. Если скважины бурятся под различными углами к линии забоя, то в расчет необходимо ввести соответствующую поправку. Исходя из опыта ведения де­ газационных работ на шахтах комбината Воркутауголь, с целью исключения аварийных ситуаций из-за непредвиденных отказов вступления скважин в работу рекомендуется из одной точки штре­ ка бурить две скважины с некоторой разницей в параметрах.

§ 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕТАНА В ОЧИСТНОМ ЗАБОЕ ПРИ ПРЯМОТОЧНОЙ СХЕМЕ ПРОВЕТРИВАНИЯ

Шахты Воркутского месторождения характеризуются высокой метанообильностью, которая при интенсификации выемки угля возрастает. Это значительно повышает газоопасность и сдержи­ вает рост нагрузки на очистной забой. При этом концентрация метана на выходе из лавы превышает допустимый предел— 1%.

Для снижения концентрации метана на исходящей струе на шахтах комбината Воркутауголь применяется нисходящая прямо­ точная схема проветривания с подсвежением. В этом случае часть метана вместе с утечками воздуха через выработанное простран­ ство поступает на штрек. Как показали исследования, величина утечек газовоздушной смеси зависит от длины лавы, количества подаваемого в лаву Q0 и подсвежающего Qi воздуха.

Новочеркасским политехническим институтом совместно с ком­ бинатом Воркутауголь с целью изучения динамики газовоздушной среды в лавах проведены исследования, результаты которых хо­ рошо согласуются с замерами, сделанными на шахтах.

При исследовании принято, что количество воздуха, оставше­ гося в призабойном пространстве, имеет экспоненциальную зави­ симость от длины лавы. Выемочная машина находится внизу ла­ вы, где происходит максимальное выделение газа <7тахПо мере удаления от выемочной машины происходит уменьшение газовы­ деления с единицы длины обнаженного пространства забоя, кото­ рое характеризуется постоянной величиной (3.

124

Количество газа на расстоянии х от вентиляционного штрека принято f(x), а на расстоянии х + Ах

f(x + Ах) = f (.х) ерл* — [/ (л;) — / (х) е~аЛд:],

где вычитаемое в квадратных скобках показывает, сколько газа ушло с утечками на отрезке Ах. Значение величины а зависит от количества подаваемого в лаву и подсвежающего воздуха.

После определения первой производной получаем

f(x) = Се(р~“)д:.

Значение С определяем при х=1, т. е. в конце лавы

f(0=9max = Ce( № ,

Количество воздуха, проходящего в призабойном пространст­

После подстановки значений (26) и (27) в уравнение (28) по­

определены концентрация метана и его объем по лаве для неко­ торых условий. Значения коэффициентов, соответствующие этим условиям, приведены в табл. 28.

По длине лавы происходит значительное возрастание концен­ трации газа за счет утечек воздуха. С увеличением количества подаваемого в очистной забой воздуха происходит незначительное снижение концентрации, так как увеличиваются утечки.

125