Kavera A.L.

Донецкий национальный технический университет

Автор:Кавера А.Л.

Исследование состояния и разработка мероприятий по снижению газовыделения на выемочных участках и улучшению проветривания при доработке запасов шахты "Глубокая" ш/у Донбасс ГХК "Донуголь"

Специальность: Охрана труда в горном производстве

07.0903 01.05

Автореферат магистерской выпускной работы

Руководитель: проф., к.т.н. Стукало В.А.

Донецк 2002

e-mail: kavera@ukr.net

Обеспечение безопасных атмосферных условий в горных выработках выемочных участков шахты, является одной из главных задач. Увеличение глубины, на которой в настоящее время ведется добыча угля в Донбассе, повышение нагрузок на очистные забои, привело к значительному увеличению газообильности шахт. Сегодня В Донбассе на отдельных шахтах глубина разработки достигла 1100-1300 м. На семидесяти шахтах газообильность превысила 30 м³/т, а свыше десяти - 100 м³/т. Ежегодно происходит по несколько взрывов метана и угольной пыли (всей стране печально известны шахты им.Засядько и им.Скочинского), возникают сотни случаев загазираваний на очистных участках и в подготовительных выработках.
К сожалению, на многих шахтах не уделяется должного внимания улучшению состояния проветревания и снижению метанообильности выемочных участков. Более того, загрубляются или игнорируются показания аппаратуры контроля рудничной атмосферы, что неизбежно приводит к трагедии.
Взрыв в результате загазирования длится считанные мгновения, а несет за собой десятки смертей и миллионные убытки. Но ничто не может сравниться с болью утраты, которую он приносит родным и близким тех, кого он застал врасплох. Чтобы не происходило подобных аварий следует заранее предусмотреть меры по улучшению проветривания выемочных участков и уменьшению газовыделения в выработки.
Исследования, проведенные в данной работе, проводились на шахте "Глубокая" ш/у Донбасс ГХК Донуголь. Основной задачей является расчет газовыделения и изучение состояния проветривания и дегазации выемочных участков при доработке запасов шахты на период с 2002 по 2006 год. Большая часть работы посвящена анализу дегазации на шахте. В данном случае дегазация рассматривается, как способ снижения газообильности выемочных участков. Целью является изучение эффективности дегазации на текущий момент времени и на перспективу, а так же внесение рекоммендаций по улучшению состояния дегазации на всей шахте в целом.
Следует отметить, что проект шахты "Глубокая" был выполнен институтом "Донгипрошахт" в 1949 году. Этим проектом дегазация пластов-спутников не предусматривалась. Тогда разрабатывались два пласта: h₁₀ и h₈. Оба опасные по газу и суфлярным выделениям. В результате чего не предоставлялась возможность обеспечить очистные забои необходимым количеством воздуха с содержанием метана, требуемым провилами безопасности. Нарушались допустимые скорости движения воздуха в лавах. С целью уменьшения газообильности шахты, в 1960 году был выполнен проект дегазации пластов h₁₀ и h₈, проектной конторой п/о "Донецкуголь". Получаемый при дегазации метан предусматривалось использовать для отопления котельной, расположенной у клетевого ствола. Для осуществления дегазации, скважины бурят на подрабатываемые пласты-спутники с вентиляционной выработки за лавой, с разворотом в сторону очистного забоя.
Оценку эффективности дегазации на текущий период времени, согласно разработанным методическим указаниям "К определению технически достижимой расчетной концентрации метана в дегазационном трубопроводе перед ВНС и обоснованию мер по его обеспечению", условно разделим на две части:

анализ работы дегазационных скважин;

анализ подсосов воздуха по длине газопровода.
Для анализа работы дегазационных скважин были использованы данные из Книги учета работы дегазационных скважин, а именно:

разрежение в устье скважины, мм рт. ст.;

фактический дебит метано-воздушной смеси (МВС), м³/мин.;

фактическая концентрация метана, %;

дебит метана, м³/мин..
Согласно методике определяются фактические и допустимые подсосы воздуха в дегазационные скважины. Все данные заносятся в таблицу 1.
Таблица 1 - Данные о работе дегазационных скважин


Участок	Номер скважины	Разрежение в устье скважины, мм в. ст.	Фактический дебит МВС, м³/мин.	Фактическая концентрация метана, %	Дебит метана, м³/мин.	Фактические подсосы в скважину, м³/мин.	Допустимые подсосы в скважину, м³/мин.
Борт.18 Лавы17h₄	944	973	4,17	30	1,25	2,92	1,95
	956	1020	4.17	45	1.87	2.3	2.04
Итого:			8.34		3.12	5.22	3.99
Борт.12 Лавы11h₄	921	80	0.4	40	0.16	0.24	0.16
	948	1224	2.34	43	2.01	0.33	2.45
	952	1224	2.59	30	0.77	1.82	2.45
	955	1428	1.73	80	1.38	0.35	2.86
Итого:			7.06		4.32	2.74	7.92
Борт.3 Лавы3h₆	728	50	0.4	35	0.14	0.26	0.1
	788	50	0.4	35	0.14	0.26	0.1
	937	100	0.79	50	0.39	0.4	0.2
	942	5	0.4	30	0.12	0.28	0.01
	951	272	1.31	35	0.45	0.86	0.54
Итого:			3.3		1.24	2.06	0.95
Борт.7 Лавы7h₈	953	42	0.4	90	0.36	0.04	0.08
7^wВШ 7^wЛавы h₁₀	616	220	0.4	80	0.32	0.08	0.44
	836	35	0.4	45	0.18	0.22	0.07
	909	408	0.4	60	0.24	0.16	0.82
	923	680	1.63	60	0.97	0.66	1.36
	945	952	1.17	65	0.76	0.41	1.9
	946	476	0.4	70	0.28	0.12	0.95
	957	1632	2.82	60	1.69	1.13	3.26
Итого:			7.22		4.44	2.78	8.8
8^oВШ 8^oЛавы h₁₀	932	476	0.78	45	0.35	0.43	0.95
Борт.2 Лавы2h₆	959	408	1.48	75	1.11	0.37	0.82
Борт.10 Лавы10h₄	898	50	0.4	45	0.18	0.22	0.1
	933	1224	2.32	40	0.93	1.39	2.45
	950	1088	2.5	50	1.25	1.25	2.18
	954	1224	2.99	40	1.19	1.8	2.45
Итого:			8.21		3.55	4.66	7.18
Всего:			8.21		3.55	4.66	7.18

Для сокращения подсосов воздуха в скважины (в случае превышения фактических над допустимыми) необходимо уменьшить разрежение у устья скважин так, чтобы повысить концентрацию метана, а если это не поможет, то необходимо увеличить глубину обсадки новых скважин на выемочном участке.
Для анализа подсосов воздуха в газопровод были использованы данные со схемы дегазации на 1 июля 2001 года, а именно:

дебит метана в газопроводе, м³/мин.;

концентрации метана в точках замера, %;

длины участков газопроводов, м.
Следует отметить, что из-за неполноты отражаемой в шахтной документации информации, не представляется возможным определить подсосы воздуха на всех участках газопровода. Поэтому в таблице представлены только отдельные участки шахтной дегазационной сети. Допустимые подсосы воздуха в дегазационный газопровод, определяются согласно [1], как 0,1% от длины участка трубопровода. Результаты расчета сведены в таблицу 2.
Таблица 2 - Данные о параметрах МВС в газопроводе


Номер пункта замера метана	Концентрация метана, %	Дебит метана в газопроводе, м³/мин.	Участок газопровода	Длина участка, м	Фактические подсосы воздуха, м³/мин.	Допустимые подсосы воздуха, м³/мин.
1	37	3.12
2	30	3.12	1-2	760	1.97	0.76
6	61.2	4.32
7	45	4.32	6-7	1120	2.54	1.12
11	61.5	4.44
12	49	4.44	11-12	1945	1.84	1.945
13	90	0.36
14	50	0.36	13-14	1700	0.32	1.17

Участки, где фактические подсосы воздуха в газопровод больше допустимых, следует тщательно осмотреть и ликвидировать обнаруженные подсосы воздуха путем затяжки гаек на фланцах стыкового соединения или замены уплотняющих прокладок на стыках.
Расчет дегазационной сети на перспективу, сводится к выполнению следующих пунктов:

определению газообильности выемочных участков по природной метаноносности разрабатываемых пластов и пластов-спутников, которые над(под)рабатываются при этом;

обоснованию необходимости дегазации;

расчету параметров дегазации;

построению сети газопроводов;

определению режима работы вакуум-насосной станции;

проверка правильности выбора используемых вакуум-насосов.
Для расчета метанообильности выемочных участков по природной метаноносности пласта используется методика, приведенная в [2] на стр. 33. В расчетах используются данные геологоразведки и планы горных работ, предоставленные маркшейдерским отделом, на которые нанесены календарные планы отработки запасов шахтного поля.
В расчетах газовыделения из пластов-спутников используется следующий принцип: был ли ранее данный пласт-спутник надработан или подработан другими пластами, был ли он при этом дегазирован. Ответить на эти вопросы и помагают планы горных работ. Накладывая друг на друга планы горных работ на пластах, в порядке их геологического залегания, ориентируем их в пространстве так, чтобы расположение выработок на различных пластах совпадало с фактическим их расположением. При этом возможны следующие ориентиры:

стволы (главный и вентиляционные);

скважины, которыми перебурены все из разрабатываемых пластов.
Таким образом мы получаем информацию, велись ли над интересующим нас участком или под ним горные работы ранее и, соответственно, нарушен или нет горный массив.
Расчитав метанообильность выемочных участков, учитывая схемы проветривания этих участков, обосновываем применение дегазации. Критерием является максимально допустимая по газовому фактору нагрузка на очистной забой. Затем осуществляется проверка по новой зависимости, вывод которой был приведен в статье "Совершенствование методики обоснования необходимости применения дегазации источников метановыделения в угольных шахтах", опубликованной в газете "Известия горного института" N1 за 2002 год. Эта зависимость имеет вид: J_p<=0.00226^.(Q_p^.C)^1.156 Согласно [1], дегазация должна применяться во всех случаях, когда возможна утилизация извлекаемого метана. А такая возможность есть и не одна: на шахте метан применяется, как топливо для котельной, а так же используется для заправки газовых баллонов на автозаправке. Исходя из этого, дегазация на выемочных участках будет применяться, даже если она не является необходимостью.
Расчет параметров дегазационных скважин, а именно:

углов разворота;

углов наклона;

длин;

количества скважин;

расстояния между скважинами;

концентрации метана у устья скважины,
производится согласно [1] (стр.115). Следует отметить, что на шахте применяется графический метод определения параметров дегазационных скважин.
Учитывая трудоемкость расчетов, их многократное повторение, так как на период с 2002 по 2006 год будет работать 21 лава, учитывая сложность расчета (очень длинные формулы), была разработана программа "Prognoz", работающая в диалоговом режиме с пользователем и осуществляющая все вышеперечисленные расчеты. Исходные данные и результаты расчета программа сохраняет на дискете в виде текстового файла. Необходимо учитывать, что программа, в основном, была ориентирована на условия шахты "Глубокая", поэтому некоторые данные в ней были заложены изначально, например: способ управления кровлей - полное обрушение, способ проведения подготовительных выработок - буро-взрывной. В связи с этим, программа не совсем универсальна. Для получения модифицированной версии программы "Prognoz", обратитесь к разработчику (т.е. к автору данной работы).
На шахте "Глубокая" на всех пластах кроме h₁₀ применяется выемка угля стругом, при столбовой системе разработки и отработка лав по падению (восстанию) пласта. На пласте h₁₀ применяется сплошная система разработки так называемыми Ш-образными лавами, работающими по простиранию пласта, когда свежая струя воздуха подается по верхнему и нижнему штрекам, а исходящая выдается по среднему. При этом нижний (откаточный) штрек проводится с опережением. Программа "Prognoz" рассматривает такую лаву, как состоящую из двух обычных лав и производит расчет газообильности и вычисление параметров дегазационных скважин для каждой из этих двух лав отдельно.
Результаты расчета метановыделения в дегазационные скважины и концентрации метана у устья скважин сведены в таблицу 3.
Таблица 3 - Результаты полученные программой "Prognoz"


Наименование лавы	Дебит МВС скважиной, м³/мин.	Концентрация метана, %
8^oЛава h₁₀(верх)	5.43	96.05
8^oЛава h₁₀(низ)	7.96	97.3
8^wЛава h₁₀(верх)	6.64	94.91
8^wЛава h₁₀(низ)	7.26	95.35
7 Лава h₈	4.53	95.53
5 "бис" Лава h₈	5.26	96.96
2 Лава h₆	3.61	94.98
11 Лава h₆	6.01	99.34
12 Лава h₆	5.54	96.04
13 Лава h₆	5.03	96.1
11 Лава h₄	19.5	96.94
12 Лава h₄	13.04	95.0
13 Лава h₄	13.2	94.35
14 Лава h₄	13.66	95.36
15 Лава h₄	13.31	96.61
17 Лава h₄	6.92	89.76
18 Лава h₄	6.59	87.26
23 Лава h₄	8.0	91.85
24 Лава h₄	7.99	93.0
2^oЛава з/ч h₆	3.31	94.75
3^oЛава з/ч h₆	3.7	95.3

Теперь, используя полученные результаты, строим сеть дегазационных трубопроводов. Для удобства, наносим ее на схему вентиляции шахты. Наносим характерные точки сети:

начальные (в месте подсоединения скважин к газопроводу);

промежуточные (когда меняется угол наклона выработки);

узловые (соединение трёх и более ветвей);

конечную (перед вакуум-насосом).
Расчет газопровода ведется согласно [1] (стр.143). Следует отметить, что в п.10.1.5 [1], сказано: "Выбираем маршрут с наиболее трудными условиями транспортировки смеси по большему значению условной величины:
350-B
X_м= ---------------- ,
E(L_i^.Q²_см.р.i)
где L_i - длина i-го участка,
Q²_см.р.i - дебит МВС на данном участке".
Как видим, чем длиннее участок газопровода и чем большее количество МВС по нему транспортируется, тем меньше значение условной величины X_м и тем легче, с точки зрения транспортировки маршрут. Это противоречит здравому смыслу, поэтому в расчетах ориентируемся на меньшее значение условной величины X_м.
В связи с громоздкостью вычисления вышеуказанной величины X_м и громоздкостью определения конечного давления газовоздушной смеси в каждой ветви трудного маршрута, была составлена вторая программа, применяемая в данной работе: "Degline".
Следует отметить, что "Degline" является логическим продолжением программы "Prognoz" и для своего использования требует наличие построенной на бумаге сети газопроводов с нанесенными на нее характерными точками сети и заранее подготовленный список маршрутов с последовательностью участков, входящих в каждый маршрут.
Ввод данных в программу предусмотрен с клавиатуры в диалоговом режиме. Все исходные данные и результаты расчетов сохраняются в текстовом файле на дискете. Как и "Prognoz", программа "Degline" не является универсальной, поэтому некоторые данные (например, стандартные диаметры трубопроводов) в нее заложены изначально. По поводу внесения модификаций в данную программу, обратитесь к разработчику (т.е. к автору данной работы).
Необходимо отметить два нюанса. Первый - это то, что сеть газопроводов строилась по календарным планам отработки запасов, имевшихся у автора данной работы на момент окончания сбора исходной информации по шахте. А эти планы постоянно пересматриваются и изменяются. В связи с этим автор данной работы не несет ответственность за то, что в каком-то из периодов (например, 2004 год) дегазационная сеть, просчитанная в данной работе не будет соответствовать факту.
Второй - это то, что сеть газопроводов на шахте, построена со значительными отступлениями от нормативного документа [1]. Так в п.6.2.7 [1] сказано, что магистральный газапровод должен иметь диаметр не менее 300 мм. Фактическое положение не соответствует данному требованию. На шахте в качестве магистральных, применяются трубопроводы диаметром 250 мм, а поскольку при данном диаметре не возможно обеспечить необходимый дебит МВС, то на некоторых участках проложены параллельные ветви и закольцованы с исходными. Программа "Degline" расчитана на то, чтобы придерживаться требований нормативного документа [1], поэтому диаметр магистрального трубопровода в ней предусмотрен не менее 300 мм.
При выполнении расчетов газопровода, было замечено, что в [1] не оговорен случай расчета допустимых подсосов воздуха при наличии нескольких параллельных ветвей на участке. Поэтому, если программа "Degline" выдала, что на каком-то из участков (как правило, на последних участках маршрута) следует прокладывать параллельные ветви трубопроводов, то рекоммендуем сделать пересчет сети, с учетом того, что величина подсосов воздуха на данном участке будет прямо пропорциональна еще и количеству ветвей, а не только длине участка. Это отражено в программе: она выдает запрос на прекращение дальнейших расчетов.
После расчета диаметров газопровода на всех участках, производится проверка режима работы вакуум-насоса, исходя из наиболее трудного маршрута. Результаты расчетов, полученные программой "Degline" представлены в таблице 4.
Таблица 4 - Результаты полученные программой "Degline"


Год разработки	Расход МВС перед вакуум-насосом, м³/мин.	Давление перед вакуум-насосом, мм рт.ст.	Разрежение перед вакуум-насосом, мм рт.ст.
2002	102.66	724.99	18.01
2003	112.073	727.97	15.03
2004	119.783	724.64	18.36
2005	71.83	726.5	16.5
2006	56.353	726.19	16.81

Анализируя полученные результаты, видим, что наиболее тяжелым, с точки зрения нагрузки на дегазационную сеть будет 2004 год. Используя характеристику вакуум-насоса ВНН-2-150, применяемого на шахте, нанеся на нее значения расхода МВС и давления перед вакуум-насосом, приходим к выводу, что данный насос удовлетворяет требованию и обеспечит необходимое разрежение и транспортировку метано-воздушной смеси. На шахте в наличии 4 таких вакуум-насоса, что более чем достаточно.
Итак в результате проведенной работы имеем следующее:

выполнен анализ эффективности дегазации и допустимости подсосов воздуха в дегазационные скважины и ветви газопровода;

разработаны меры по повышению эффективности дегазации;

выполнен прогноз газообильности выемочных участков (действующих и на перспективу) на период с 2002 по 2006 год;

просчитаны необходимые расходы воздуха, для проветривания этих выемочных участков;

расчитаны параметры дегазации, применяемой на этих участках;

выполнен текущий анализ состояния проветривания на шахте;

при расчетах были использованы новые зависимости;

разработаны две программы, облегчающие выполнение некоторых расчетов;

разработана дегазационная сеть на указанный выше период времени;

выявлены некоторые ошибки и недочеты в действующих нормативных документах;

осуществлена проверка возможности использования, применяемых на шахте вакуум-насосов.

Библиографический список:

1.Руководство по дегазации угольных шахт.- м., 1990.-186с
2.Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт.- К., 1994.-311с.
3.Стукало В.А., Фролов О.В. К вопросу определения максимально допустимой по газовому фактору нагрузки на очистной забой / Проблемы экологии, 2000.- №1. с.71-75.
4.Стукало В.А. Влияние системы разработки на метановыделение и предельно допустимую нагрузку на очистную выработку // Уголь Украины, 1991.-№ 5.- с.20-22.

Электронная библиотека

Ссылки

Главная страница