Источник: Уголь Украины, №7, 2007 – С. 48-51.
Одна из самых опасных операций в технологии угля при разработке выбросоопасных шахтопластов — это бурение шпуров и скважин диаметром 42…900 мм для выполнения способов прогноза выбросоопасности и борьбы с ней. Так до 01.05. 1977 года на шахтах Донбасса было зарегистрировано 168 внезапных выброса угля и газа (ВВУ) при бурении шпуров и скважин. Работами МакНИИ доказано, что вероятность выброса уменьшается в 3 раза при уменьшении диаметра скважин со 100 мм до 42 мм 1,2. Существовало мнение о том, что при бурении шпуров и скважин диаметром 42…43 мм выбросы не должны происходить. Однако выброс угля, происшедший в 1976 г. на шахте «Нова Руда» в Польше при бурении шпура диаметром 42 мм полностью опроверг данное мнение. Сила выброса составила 1500 т угля и 180 тыс. м3 диоксида углерода. Выброшенным углем засыпано более 130 м выработок. Изложенное доказывает, что создание безопасных условий труда при бурении шпуров и скважин, остается актуальной задачей для угольной промышленности Украины.
Анализ опыта бурения скважин различными буровыми инструментами с 1931 по 1963 г.г. приводит к выводу о том, что наиболее безопасный способ бурения скважин с применением в качестве очистного агента воды. Причем при бурении скважин на крутых особо выбросоопасных пластах, а их бурение, как правило, сверху вниз по падению пласта при бурении с промывкой наблюдались непрерывные глухие удары в массиве угля и интенсивные выделения метана в виде внезапных выбросов. При очень большой скорости бурения скважин происходило выбрасывание промывочной жидкости на высоту 1,2-1,6 м. Случаев выброса угля на штрек не было. Произошло выброс газа и бурового става на шахте Капитальная при бурении скважин диаметром 120 мм станком КАМ-300 по крутому выбросоопасному пласту «Новый». Сила внезапного выброса метана былая такая, что из скважины на штрек был выброшен буровой став и опрокинут буровой станок 3 . В то время как при первых двух способах удаления продуктов бурения произошли все остальные случаи внезапных выбросов угля и газа (более 40). Следует отметить то, что скважины по первым двум направлениям бурились снизу вверх, т.е. по восстанию пласта. Всю буровую технику пришлось усовершенствовать применительно к подземным и выбросоопасным условиям.
Испытание устройств для бурения скважин и отработка технологии бурения скважин, выполненная на шахтах Украины 3 позволила конструкторам угольных предприятий и научно-исследовательских институтов создать для шахт Донбасса целый комплекс способов и устройств, основанных на использовании воды в качестве очистного агента и для снижения силы и частоты внезапных выбросов угля и газа.
После внезапного выброса угля и газа на шахте "Новая Руда" и шахте им. М.И. Калинина разработано новое направление: снижение силы и частоты внезапного выброса угля и газа при бурении шпуров и скважин с использованием воды в качестве очистного агента А.С. СНГ (СССР) 1008467.
Положительные результаты последнего направления послужили основой для испытания агрегатов для бурения скважин большого диаметра гидромониторной установкой (АГС) на шахте им. 60-летия Советской Украины при проведении разрезной печи 5 западной лавы западного уклона пласта (РП) с последующим разрушением боковых пород отбойным молотком и образованием ходка.
Горно-геологические условия испытания следующие: угольный пласт простого строения = 0,68 м, угол падения 17, отнесен к категории особо выбросоопасному. На участке испытаний при проведении трех подготовительных выработок произошли 11 внезапных выброса угля. Место проветривания РП отнесено к зоне повышенной выбросо-опасности. Вначале предусматривалась следующая технология РП: по восстанию пласта с откаточного на вентиляционный штрек вымывалась установкой АГС скважина диаметром 300 мм на всю длину РП далее она расширялась установкой АГС до проектных размеров выра-ботки (шириной 3,2 м), заходками по 3 м, затем осуществлялась подрывка пород кровли отбойным молотком на 0,3 м и креплением выработки деревянными стойками под распил. Управление установкой АГС осуществлялось с дистанционного пульта установленного на свежей струе воздуха на расстоянии 80 м от установки АГС (устья РП). Для обеспечения безопасности работающих установлены устройства «Воздух - 3» у стойки АГС на расстоянии 10 м от него и на расстоянии че-рез 50 м по обходному квершлагу 5 горизонта, у пульта управления АГС, были установлены спасательные аппараты ПСА-1.
В Донбассе по состоянию на 1 января 1985 г. при бурении шпуров и скважин зарегистрировано 193 внезапных выбросов угля и газа. Сила выбросов иногда достигала 1500 т. Произошли выбросы угля и газа при бурении шпуров диаметром 42 мм. Внезапные выбросы угля и газа при бурении скважин в выбросоопасных пластах произошли почти во всех бассейнах мира.
При проходке тоннеля Арпа-Севан в выбросоопасных породах, при бурении шпуров происходили зажатия бурового инструмента или пережатие скважин и шпуров, причем при заряжении наблюдалось выталкивание патронов ВВ. Это дополнительное свидетельство того, что реакция выбросоопасного напряженного массива изверженных пород близка к реакции массива угля, а следовательно выбросы породы и газа при бурении скважин или шпуров не могут быть исключены.
НПО Углемеханизация при взаимодействии с ДонГТУ и Мак-НИИ разработан комплекс для вымывания скважин и образования пазов (КБГ) на выбросоопасных пластах 4.
пытная отработка технологии вымывания скважин и пазов установкой КБГ проведена на шахтах, разрабатывающих крутые пласты. Во время работы установки КБГ 29.11.1981 г. на пласте — Мазурка, произошел внезапный выброс угля и газа. Сила выброса составила более 2000 т угля, уголь засыпал выработки на длине более 200 м, объем выделившегося газа не установлен. Данное ГДЯ произошло при опробывании гидравлики комплекса с глубины 5 м, при вымывании вос-стающей скважины на 6 метре. Застигнуто 3 человка, два из них смертельно травмированы. Комплекс был доработан и в комплект его вошло устройство локализации ВВУ. Дальнейшие его испытания выполнялись, как на крутопадающих пластах, так и на пологих, в том числе и на шахте им. 60-летия Советской Украины. Испытания подтвердили работоспособность установки и возможность локализации ВВУ при бурении скважин.
В 1992 году производственники шахты им. 60-летия Советской Украины предложили использовать КБГ для проведение флангового ходка 6 восточной лавы западного уклона пласта . Были пробурены три скважины длиной 164 м; 60 и 69 м. При бурении скважины № 1 на первых 10 м газодинамические явления отсутствовали. Однако начались повышенные выделения газа, выбросы газа и после того как было пробурено 13 м, 1.06.92 установили устройство для локализации (снижения силы выбросов). Благодаря этому устройству удалось избежать ГДЯ с 19 метра скважины, так как произошел повышенный вынос штыба и выработка была загазирована.
Но разрушения скважины и бурового инструмента не произошло. Вымывание было продолжено и вновь 22.07.92 произошло резкое усиление газовыделения из скважины и 23.07.92 с глубины 75 м произошел микровыброс пульпы и газа, люди были вынуждены уйти в безопасное место. Дальнейшее вымывание скважин подтвердило надежность устройства локализации выбросов угля, когда только в конце смены после вымывания соответственно 6 и 10,2 м (29.07.92 и 30.07.92) произошли выбросы газа. Скважина № 1 была вымыта на всю высоту этажа. Технология вымывания скважины использует в своей основе А.С. СНГ (СССР) 1008467 и заключалась в том, что при наличии вымывания скважины работу установки начинали с разрушения угольного массива низконапорной водой из противопожарного става, а только затем кратковременно (2-3 мин) включали насосную установку ШНУ настроенную на давление 8-10 МПа. При отсутствии газодинамических явлений и получения информации о гидравлическом разрушении угля давление повышалось до 14-17 МПа, а время воздействия увеличивали до образования опережающей полости длиной 1 м (длина штанги) но не более 10 мин.
Данная технология была использована и при вымывании двух других скважин, которые по организационно-техническим причинам были пробурены соответственно только на 60 и 69 м. Дальнейшие работы по организационным причинам были приостановлены, а возобновлены только в 1994 г., когда установку стали использовать при проведении флангового ходка 4 восточной лавы западного уклона пласта в 1994-1995 г.г. Для его проведения планировалось пробурить две скважины, расположенные по направлению стенок флангового ходка, а затем путем вымывания межскважинного целика и подрывки кровли ОМ заходками по 1 метру организовать проходку ходка.
При вымывании скважины № 1 аппаратура акустического прогноза (АК-1) конст-рукции ДГИ регистрировала «опасно» 9 раз, в трех из них аппаратура газового контроля зарегистрировала выбросы газа с концентрацией метана у устья скважины более 2,5. Скважина вымыта на всю высоту этажа (более 100 м). При вымывании скважины № 2 аппаратура АК-1 не зарегистрировала "опасно" ни одного раза. Выбросы газа произошли четыре раза с концентрацией метана более 2,5%. Из-за большого отклонения скважины от заданного направления вымывание скважины прекратили.
Приняли решение вымыть дополнительно третью скважину между первыми двумя. При ее вымывании аппаратура АК-1 зарегистрировала "опасно" в 15 случаях и только в четырех случаях произошли выбросы газа с концентрацией метана более 2,5%. Причем один из случаев произошел при отсутствии прогноза «опасно» по данным аппаратуры АК-1.
1. Максимальная интенсивность выброса при бурении шпуров или скважин без промывания водой составила 2000 т (более 1500 т при бурении шпура диаметром 43 мм и более 2000 т при бурении скважин диаметром 76 мм и более). Длина загазованной части выработок при выбросах через сква-жины или шпуры составила более 1 км. Длина (величина) отброса угля более 200 м. Указанные величины могут быть использованы для обеспечения безопасности работ при совершенствовании способов бурения шпуров и скважин.
2. Анализ выполненных работ показывают перспективность и возможность обеспечения безопасности при бурении шпуров и скважин в наиболее опасных по внезапным выбросам пластах с использованием воды в качестве очистного агента.