Автор: И. В. НАЗИМКО, В. Н. КОЧЕРГА, П. А. БРЮХАНОВ
Исследовано и обосновано наиболее оптимальное расположение дегазационного трубопровода в подготовительной выработке с помощью физического, компьютерного моделирования и натурных наблюдений
В условиях рыночной экономики получение высокой рентабельности угольных шахт выходит на первое место. Обеспечение рентабельности добычи угля может быть достигнуто только за счет повышения нагрузки на очистные забои. Однако интенсификация добычи угля неизбежно приводит к увеличению интенсивности газовыделения в рабочее пространство действующего очистного забоя, что повышает вероятность взрыва газовоздушной смеси. При этом возможности разбавления газовоздушной смеси до безопасного уровня с помощью традиционных средств вентиляции давно исчерпаны. Именно поэтому послед нее десятилетие особое внимание уделяется совершенствованию систем дегазации [1,2].
Несмотря на существенный прогресс в этой области эффективность дегазации не всегда достаточна для безопасного ведения очистных работ, о чем свидетельствуют происходящие крупные аварии на угольных шахтах Украины и СНГ, причиной которых являются взрывы газовоздушной смеси. Характерно, что такие аварии происходят примерно с одинаковой частотой независимо оттого, какие схемы проветривания применяются. Существенным резервом повышения эффективности дегазации является каптирование газа из неконтролируемых подготовительных выработок, которые примыкают к действующим очистным забоям [2]. Дело в том, что почти при всех схемах дегазации максимальное количество свободного газа накапливается в выработанном пространcтве действующей лавы со стороны ранее отработанного участка. Как правило, в вентиляционных выработках, примыкающих к указанному участку, уже имеются дегазационные системы. В связи с этим весьма целесообразно использовать эти системы для дополнительного улавливания и отвода метана из неконтролируемых выемочных выработок, участки которых изолируются и фактически на протяжении 50-300 м и более еще имеют остаточное сечение порядка 2-5 м. Такое сечение вполне достаточно для сохранения целостности дегазационного трубопровода. В связи с этим целесообразно расположить трубопровод в таком месте неконтролируемого сечения выработки, которое исчезнетв самую последнюю очередь. В этом случае появляется возможность уловить и отвести дополнительно 30-40% взрывоопасного газа и повысить за счет этого безопасность очистных работ. Таким образом, исследование распределения долговечности «живого» сечения выработки по площади ее первоначального сечения является актуальным
Для решения поставленной задачи использовался комплексный метод исследований, включающий физическое и математическое моделирование запредельных деформаций сечения подготовительной выработки, а также результаты натурных шахтных наблюдений, в процессе которых измерялись габариты сечения выработки и производилась их фотофиксация. Всего было проанализировано шесть математических и 8 физических моделей, а также 25 подготовительных выработок на 6 угольных шахтах Донбасса и нескольких шахтах зарубежья. При этом использовались собственные результаты исследований, а также ранее опубликованные данные других авторов. Это позволило собрать базу данных, на основе которых построена представительная выборка. Анализ данной выборки приводится ниже.
Неконтролируемый участок подготовительной выработки (шахты им. Засядько и Красноармейская-Западная №1) попадает в несколько геомеханических зон, которые характеризуются разной интенсивностью проявления горно-го давления (рис.1). Для обеспечения возможности сопоставления результатов нескольких экспериментов графики деформации построены в безразмерных величинах площади сечения, при этом площадь сечения выработки напротив окна лавы принята за единицу. После прохода окна лавы участок выработки изолируется и попадает в зону активных сдвижений (участок 1), где интенсивность конвергенции на контуре максимальна а их скорость составляет от 5 до 50 мм/сут и более. Длина зоны активных проявлений составляет 1-2 месячных подвигания лавы и в зависимости от скорости подвигания изменяется в пределах 30-250 м. Именно на этом участке происходит раскрытие трещин и расслоение окружающих выработку пород, что приводит к интенсивному газовыделению. Поэтому сохранение остаточного сечения неконтролируемого участка выработки на данном участке является весьма актуальным.
На участке 2 происходит затухание сдвижений на контуре выработки. Несмотря на затухающий характер деформаций сечения выработки и вмещающих eе пород, газовыделение продолжается, причем в пределах второго участка остается возможность каптировать от 30 до 100% газа от того количества, которое улавливается на участке 1. В пределах участка 3 скорость смещений на контуре неконтролируемой выработки падает до минимума. В зависимости от состояния выработки напротив окна лавы, способа ее охраны и несущей способности репи остаточное сечение выработки может полностью исчезнуть на любом из указанных интервалов или сохраниться на неопределенный срок.
Рис. 1. Изменение остаточного сечения выработки позади движущегося очистного забоя
В целом характер затухания смещений на контуре неконтролируемого участка выработки описывается экспонентой. В процессе сдвижений породы вокруг неконтролируемой подготовительной выработки расслаиваются и образуют техногенные складки в кровле и почве (рис. 2). Такой характер сдвижений типичен для пологого падения. Сечение неконтролируемой выработки уменьшается, в основном, в вертикальном направлении, хотя сближение боковых стенок также имеют место. Обычно величина боковых смещений в 2-5 раз меньше, чем сближения кровли и почвы. Форма остаточного сечения неконтролируемой выработки в процессе деформирования меняется, причем напротивокна лавы она может приобретать выраженную несимметрию.
Вместе с тем величина асимметрии падает с уменьшением остаточного сечения. В тех случаях, когда асимметрия сечения выражена, ее величина уменьшается по экспоненте и изменяется в пределах от 56% до 15% в конце жизненного цикла неконтролируемой выработки. На рис. 3 приведен график сглаживания асимметрии остаточного сечения, выраженной в виде дисбаланса правой и левой части сечения в процентах. Видно, что в конце жизненного цикла неконтролируемого сечения подготовительной выработки асимметрия сечения становится меньшей погрешности измерений, которая не превышает 15%.
Рис. 2. Характер необратимых сдвижения
Рис. 3. Изменение ассиметрии сечения неконтролируемого участка выработки
На основании этого правые и левые части сечений использованы отдельно для увеличения статистической выборки. На рис. 4 приведены экспериментальные данные [3], подтверждающие правомерность такого подхода. На снимках видно, что с уменьшением площади остаточного сечения неконтролируемойвыработки до 3-4 м его асимметрия становится пренебрежимо малой. Вместе с тем указанная величина площади сечения вполне достаточна для осуществления газоотсоса или дегазации неконтролируемого участка выработки и таким образом повышения эффективности дегазационной системы в целом.
Рис. 4. Состояние неконтролируемых участков выработки
Для нахождения распределения вероятности сохранения дегазационного трубопровода по площади неконтролируемого сечения выработки была использована следующая методика. Вышеописанным методом было обеспечено представительное количество данных для обработки результатов измерений.
Для обеспечения возможности объединения результатов, полученных разными методами (физическим, математическим моделированием и натурными экспериментами), размеры всех сечений были нормированы. Для этого высота неконтролируемого сечения выработки и его ширина принимались заединицу, а координаты точек контура сечения определялись в пределах от 0 до 1. Для количественной оценки участков площади поперечного сечения использовалась бальная оценка. В качестве исходного сечения выработки принималось ее сечение напротив окна лавы. Участкам сечения, которые исчезали в первой геомеханической зоне (то есть в зоне активных сдвижений позади действующей лавы – см. рис. 1), назначалась оценка в пределах 33 балов.
Участкам неконтролируемого сечения, которые исчезли в пределах второй геомеханической зоны, назначалась оценка в интервале от 33 до 66 балов. Участки, которые исчезли в третьей зоне, оценивались в пределах от 67 до 100 балов. При этом участки сечения, которые демонстрировали самую высокую долговечность присваивалась оценка в 100 балов. Поскольку исходное сечение разбивалось на участки с шагом 0,1 первоначальной ширины или высоты сечения, после обработки исходных данных по вышеуказанной методике образовалось около 300 данных по площади неконтролируемого сечения выработки. При этом наборы данных сохранялись в формате «координаты x, y, оценка вбаллах». Эти наборы обрабатывались кригинг методом в пакете SURFER, который обеспечивает возможность анализа вариограмм. Это гарантировало корректное усреднение исходных данных и повысило достоверность результатов их обработки.
Все результаты приводились к стандартным условиям, при которых прочность пород кровли и почвы выработки одинакова. За счет этого обеспечивалась сопоставимость результатов обработки по всем данным исходной выборки, приведение которых реализовалось с помощью отраслевой методики для расчета смещений на контуре подготовительных выработок [4].
На рис. 5 показано распределение бальной оценки участков неконтролируемого сечения. Эти оценки можно трактовать в терминах вероятности сохранения участка сечения неконтролируемой выработки. Чем больше бальная оценка участка, тем выше вероятность его сохранения. Полученное распределение хорошо согласуется с геомеханикой смещений пород на контуре выработки. Так наименее долговечны участки сечения, которые расположены со стороны почвы. Эти участки исчезают из-за пучения пород почвы. Низкую вероятность сохранения имеют также участки сечения, примыкающие к кровле выработки и ее боковым стенкам. Максимальной долговечностью обладают участки неконтролируемого сечения, которые расположены на вертикальном расстоянии от почвы, равном 0,5 – 0,7 исходной высоты сечения выработки напротив окна лавы и смещенные от вертикальной оси симметрии сечения на 0,1-0,4 полуширины указанного сечения.
Рис. 5. Распределение вероятности сохранения трубопровода
На основании полученных результатов проанализируем существующие схемы размещения дегазационного трубопровода или газоотсоса в неконтролируемых выработках (рис. 6). Позицией 1 обозначено месторасположение газоотсоса, которое практикуется при дегазации неконтролируемого участка выемочных выработок. При этом к трубе А прикрепляется отросток Б, который часто называют свечой. Отросток необходим для улавливания метана у сводовой части неконтролируемой выработки, поскольку метан легче воздуха и скапливается в верхней части сечения. Из сопоставления рисунков 5 и 6 становится ясно, что вероятность сохранения такого трубопровода минимальна. Уже в пределах первой геомеханической зоны происходит зажатие системы с последующим сломом свечи и/или трубопровода. Вероятность сохранения такой системы не превышает 20-30%. Это означает, что она выйдет из строя уже на первых десятках метров позади удаляющейся лавы, а большая часть метана не будет каптирована, что снижает эффективность дегазации неконтролируемого участка выемочной выработки и повышает вероятность взрыва у сопряжения с вентиляционным штреком.
Рис. 6. Возможные варианты располодения трубопровода
Часто трубопровод оставляют на почве выработки в позиции 3. Вероятность защемления такого трубопровода между породами почвы и стенками выработки высока, а вероятность его сохранения не превышает 20%. Несколько выше вероятность сохранения трубопровода в позиции 4, когда его прикрепляют в стойке рамной крепи у боковой стенки выработки. Однако вероятность сохранения такого трубопровода не превышает 35-40%.
Из анализа распределения на рис. 5 становится понятно, что максимальная вероятность сохранения дегазационного трубопровода в том случае, если он будет размещаться в позиции 5. При этом конструкция газоотсоса упрощается, поскольку не нужны свечи. Достаточно перфорировать сам трубопровод. Кроме того, такое решение снизит аэродинамическое сопротивления трубопровода.
По мере оседания пород кровли трубопровод будет опускаться и в конечном счете занимать позицию, в которой вероятность его сохранения максимальна.
На первый взгляд в эту позицию трубопровод может переместиться, если его расположить на почве. Однако в процессе пучения пород почвы высока вероятность сползания трубопровода в опасное положение 3, поскольку пучение происходит в виде обратного свода. Главным же недостатком позиции 1, как уже указывалось, является необходимость прикрепления свечей.
На основании выполненных исследований обоснована рациональная схемарасположения дегазационного трубопровода, позволяющая повысить эффективность дегазации за счет максимальной вероятности сохранения целостности трубопровода и увеличении его долговечности.