Кандидаты техн. наук В.В. ЯЙЛО (ДонГТУ), А.А. РУБИНСКИЙ (МакНИИ), инж. А.Д. БОНДАРЕНКО (МакНИИ)
Приведен способ проведения разрезных выработок по выбросоопасным пологим пластам, основанный на вымывании тонкими высоконапорными струями воды скважин и разгрузочных пазов с последующим вымыванием под их защитой угля в пределах проектного контура выработки.
Из всего многообразия горно-геологических и горно-технических условий разработки пологих выбросоопасных пластов наиболее характерными являются условия разработки пласта h8 «Прасковиевский» на шахтах Донецко–Макеевского района. На большинстве шахт пласт относится к категории особо выбросоопасных и разрабатывается как одиночный без применения локальных способов предотвращения выбросов угля и газа. Последнее обусловлено невозможностью бурения в реально опасных зонах скважин и шпуров на требуемую глубину, низкой водопроницаемостью пласта и, в определенной степени, трудностями выполнения работ в стесненных условиях выработанного пространства маломощного пласта. Поэтому при разработке пласта для обеспечения безопасности работ преимущественно применяют струговую выемку при отсутствии людей в лаве и на исходящей струе воздуха, а проведение подготовительных выработок, в том числе пластовых, осуществляют сотрясательным взрыванием. Применение сотрясательного взрывания, вследствие большого числа и силы «спровоцированных» выбросов угля и газа, сдерживает темпы подготовки выемочных участков и отражается на безопасности и технико-экономических показателях очистной выемки при переходе полостей выбросов.
Одним из перспективных направлений повышения безопасности и улучшения технико-экономических показателей разработки выбросоопасных пластов, является применение способов проведения подготовительных выработок, основанных на вымывании тонкими высоконапорными струями воды скважин и разгрузочных пазов с последующим вымыванием под их защитой угля в пределах проектного контура выработки [1,2,3].
Первые работы в этом направлении для условий разработки пластва h8 были начаты ДПИ и МакНИИ в 1983 г на шахте им. 60-летия Советской Украины ПО «Донецкуголь» с использованием установки АГС (агрегат гидравлический скважинный) конструкции НПО «Углемеханизация».
Работы проводились при проведении разрезного ходка 5-й западной лавы западного уклона. Установка АГС размещалась в специально оборудованной монтажной камере длиной 6 м, примыкающей к откаточному штреку. Предполагалось вымыть скважину диаметром 300 мм на всю высоту этажа, а затем расширить ее по угольному пласту до проектных размеров печи – 3,2 м. При работе АГС предусматривались следующие меры безопасности: дистанционное включение АГС с пульта управления, установленного на 80 м от ходка на свежей струе воздуха, и быстродействующее отключение электроэнергии с использованием аппаратуры АМТ-3 системы АКМ.
Вымыть скважину на всю высоту длину ходка не удалось, так как при вымывании 8-го метра скважины произошел выброс угля и газа и выброшенным углем была засыпана монтажная камера. В дальнейшем технология проведения ходка несколько была изменена: вымывание скважины осуществлялось на 10-30 м, затем проводилось вымывание угля (расширение скважины) до проектных размеров и последующее крепление ходка.
При вымывании скважины произошло три выброса угля и газа, при расширении – один. Сила выбросов не превышала 60 т и была меньше чем при проведении ходков в аналогичных условиях сотрясательным взрыванием. Полости выбросов располагались: одна по направлению проведения ходка, две в сторону подвигания лавы, а одна в сторону целика угля не подлежащего выемки. Полости от происшедших выбросов не осложняли в дальнейшем ведение проходческих работ, так как их направленность и размеры были в пределах проектного контура ходка.
В результате этих работ были выявлены основные недостатки технологии: необходимость устройства монтажной камеры, неуправляемое воздействие высоконапорной струи воды на угольный забой как при вымывании скважины, так и при ее расширении, отклонение скважины от заданного направления и др.
Все эти недостатки были учтены при разработке способа проведения выработок с использованием комплекса КБГ (комплекс безлюдный гидравлический), созданного НПО «Углемеханизация» по техническому заданию ДонГТУ.
Положительные результаты горно-экспериментальных работ с использованием комплекса КБГ [2] позволили разработать технологию вымывания скважин и разгрузочных пазов и приступить к приемочным испытаниям способа проведения разрезных выработок.
Приемочные испытания проводились при проведении флангового разрезного ходка 4-й восточной лавы западного уклона под общим научно-производственным руководством и участием сотрудников ДонГТУ и УкрНИИгидроуголь. Общий контроль за безопасностью ведения работ осуществлялся сотрудниками МакНИИ. Работы по выполнению способа проводились в первую и (или) вторую смены двумя специально обученными рабочими.
Проектом проведения разрезного ходка 4-й восточной лавы предусматривалось вымывание двух скважин диаметром 300-400 мм, ориентированных вдоль проектного направления стенок ходка, с последующим вымыванием из скважин на всю мощность пласта продольных (ориентированных вдоль скважин) разгрузочных пазов (рис. 1). Скважины предусматривалось вымыть на всю высоту столба с 5-го восточного вентиляционного штрека (воздухоподающая выработка) на 3-й откаточный штрек (вентиляционная выработка). Вымывание разгрузочных пазов должно было производится по мере извлечения става подачи, начиная с границы невыбросопасной зоны пласта, примыкающей к 3-му восточному откаточному штреку, до границы разгружающего влияния 5-го восточного вентиляционного штрека, и только в пределах зон газодинамических проявлений пласта, выявленных при вымывании скважин.
Оборудование комплекса КБГ было установлено в 5-м восточном вентиляционном штреке: станок подачи в месте вымывания скважин, маневровый (местный) пульт управления, маслостанция, насосная установка УПШ и дистанционный пульт управления соответственно на расстоянии 3, 40, 60 и 210 м по свежей струе воздуха от станка подачи. Местный пульт управления позволял осуществлять все предусмотренные операции по управлению комплексом КБГ. Возможности управления комплексом с помощью дистанционного пульта были ограничены, так как гидравлическая система управления комплексом не была смонтирована. С помощью дистанционного пульта управления возможно было только включение (отключение) насосной установки и маслостанции. В последнем случае станок подачи по программе осуществлял две реверсивные операции: подачу става и (или) его вращение на 3600. Давление в гидросистеме управления комплексом и высоконапорной воды контролировались по манометрам местного и дистанционного пультов управления.
Для транспортировки пульпы вдоль штрека был проложен скребковый конвейер СП-63, под приводной головкой которого был оборудован погрузочный пункт для вагонеток ВГ-2,5.
Проветривание участка осуществлялось за счет общешахтной депрессии. Свежая струя поступала с западного уклона пласта h8 на 5-й восточный вентиляционный штрек и через 5-ю восточную лаву западного уклона направлялась к скиповому стволу. После вымывания одной из скважин на высоту столба и при проведении разрезного ходка свежая струя поступала по указанным выше выработкам, а исходящая по скважине выходила на 3-й восточный откаточный штрек, на вентиляционный ходок западного уклона пласта h8 и далее направлялась к скиповому стволу.
Для газовой защиты потребителей электрического тока и контроля за газодинамическими проявлениями пласта при вымывании скважин применялась аппаратура АКМ. Датчик Д1, настроенный на концентрацию метана 2,0%, устанавливался на исходящей струе воздуха на расстоянии 3-5 м от устья скважин. Показания датчика Д1 при помощи индикатора были дополнительно вынесены на дистанционный пульт управления. При превышении концентрации метана 2,0% датчик Д1 отключал магнитный пускатель ПВИ-250 оборудования КБГ. Телеметрически информация с датчика Д1 записывалась на ленту самописца стойки СПИ-1. На свежей струе на расстоянии 50м от вымываемой скважины был установлен датчик Д2 (противовыбросной), отрегулированный на концентрацию метана 0,5% для отключения высоковольтного распредустройства в трансформаторной камере. В дальнейшем, при проведении разрезного ходка, на 3-м откаточном штреке был установлен датчик Д3, настроенный на концентрацию метана 1%. Дополнительно, по методике ДГИ с помощью аппаратуры акустического прогноза (АК-1), оценивалась выбросоопасность пласта на участках вымывания скважин и проведения ходка.
Для обеспечения безопасности работ участок был оборудован средствами самоспасения и телефонной связью.
До начала вымывания скважин в месте предполагаемого их заложения была определена по динамике начальной скорости газовыделения величина зоны разгружающего влияния 5-го восточного вентиляционного штрека. Поинтервальное измерение начальной скорости газовыделения в контрольных скважинах осуществлялось с интервалом 1 м и длине газовой камеры 0,2 м с использованием газозатвора ПГШ и прибора для измерения скорости газовыделения ПГ-2М. По результатам измерений величина зоны разгружающего влияния 5-го восточного вентиляционного штрека составила не менее 7 м. Размер невыбросопасной зоны пласта, примыкающей к 3-му восточному откаточному штреку, в соответствии с п.2.6.1 «Инструкции…» [4] составил 10 м.
Вымывание первых 20-ти метров скважин осуществлялось с применением средств локализации выброса угля и газа, оборудуемых в устье скважины в соответствии с руководством по их применению. Вымывание скважин осуществляли при следующих гидродинамических параметрах: расходе воды через насадку до 200 м/мин и давления воды 15-16 МПа. Глубина вымывания (длина) скважин определялась по числу секций става подачи.
Вымывание скважины № I осуществляли при ориентации ее в направлении правой проектной стенки разрезного ходка по следующей технологии. С дистанционного пульта управления включали насосную установку. Затем с периодичностью 1-2 мин на 20-30 с включали мас-лостанцию, что обеспечивало подачу става (исполнительного органа) вдоль скважины на 0,1-0,2 м с одновременным поворотом вокруг оси по часовой стрелке на угол 30-600. При подаче става на одну секцию длиной 1 м и поворотом его на 3600 маслостанцию выключали и продолжали вымывание скважины в течение 3-5 мин. Затем с помощью местного пульта, управления наращивали от I до 3 секций и производили вымывание скважины с дистанционного пульта.
Из-за обрыва става подачи вымывание скважины № I было прекращено на 77–ом метре. В связи с чем, было принято решение о вымывании скважины № 2, располагаемой на расстоянии 0,3 м влево от скважины № 1. Вымывание скважины № 2 осуществлялось по той же технологии, и было остановлено на глубине 124 м, так как при проектной длине 95 м скважина на 3-й откаточный штрек не вышла. С помощью электрометрического метода, было установлено, что скважина располагалась на расстоянии 4 – 5 м от подошвы 3-го откаточного штрека и отклонилась вправо от проектного направления на расстояние 15 - 25 м.
Причинами отклонения скважины от заданного направления явились недостатки технологии вымывания с дистанционного пульта управления, заключавшиеся в следующем. Так как, вымывание скважин осуществлялось только при однократном повороте става подачи по часовой стрелке на 360°, то на расстоянии более 2 м от исполнительного органа левая часть скважины не была оформлена по проектному контуру, что приводило при наращивании более двух секций и подаче става вперед к его смещению вправо.
В связи с этим, было принято решение о вымывании скважины № 3, ориентированной вдоль проектного направления левой стенки разрезного ходка, по следующей (скорректированной) технологии. Во-первых, для обеспечения «забуривания» скважина № 3 была ориентирована влево на 2-30 относительно проектного направления стенки ходка. Во-вторых, вымывание скважины осуществлялось при наращивании только одной секции. В-третьих, периодически после наращивания 5-6 секций направление поворота става подачи менялось на противоположное.
Вымывание скважины № 3 по скорректированной технологии обеспечило высокую направленность скважины. При глубине (длине) скважины 99 м ее отклонение от заданного направления составило 2 м.
В процессе вымывания скважин контролировалось газодинамические проявления пласта для определения участков по длине скважин, на которых предусматривалось вымывание разгрузочных пазов. Контроль осуществлялся, в основном, по показаниям датчика Д1 с выводом информации на ленту самописца. При вымывании скважины №1 газодинамические явления произошли на 42, 44 и 77 м, скважины №2 – на 20, 24, 70, 75 и 81 м, скважины №3 – на 78 и 84 м. Газодинамические проявления характеризовались повышенным газовыделением до и более 2,5%, приводящими к временному от 15 мин до 3-х часов загазированию выработки и повышенному или полному отсутствии выхода пульпы из скважины, что подтверждает ранее доказанный факт торможения развития или локализации выброса в скважине ставом подачи [2,3]
Согласно полученной информации вымывание разгрузочных пазов по мере демонтажа става подачи должно осуществляться в скважине №1 на участках 83 – 78 м и 49 – 42 м, скважине №2 – 86 – 70 м и 29 – 20 м, скважине №3 – 89 – 78 м. Однако визуальные наблюдения за состоянием скважин показали, что в этом не было необходимости, так как вследствие развития зоны неупругих деформаций вокруг скважин их диаметр увеличился до 0,55 – 0,60 м и стал практически равен мощности пласта.
Проведение разрезного ходка осуществлялось снизу вверх путем вымывании межскважинного целика из скважины №3. Вымывание осуществлялось при давлении воды 15- 16 МПа заходками по 1 м с дистанционного пульта управления. Подрывка пород кровли на 0,4 м осуществлялась отбойными молотками с отставанием породного забоя от угольного не менее чем на 1 м. Транспортировка угля по ходку осуществлялась водой, а породы – с помощью скреперной лебедки.
В связи с дистанционной (безлюдной) выемкой угля контроль эффективности разгружающего действия скважин (пазов) не предусматривался. Основным критерием эффективности являлось отсутствие газодинамических проявлений при вымывании угля (межскважинного целика). Вместе с тем, контроль эффективности по динамике газовыделения на отдельных циклах проведения ходка показал, что величина зоны разгрузки пласта впереди забоя ходка во всех случаях была больше 3 м.
Положительные результаты приемочных испытаний позволяют рекомендовать способ проведения разрезных выработок по выбросоопасным пластам с использованием комплекса КБГ к применению на шахтах Донбасса
Библиографический список
Уголь Украины. - 1996. - №4. - С. 28 - 31.