Способ выемки выбросоопасных соляных горных пород

 

Способ может быть использован в горном деле при подземном способе отработки выбросоопасных соляных горных пород, сложенных гигроскопическими водорастворимыми минералами. Изобретение решает задачу повышения безопасности, экономичности и технологичности ведения горных пород при выемке выбросоопасных соляных горных пород путем создания условий для динамического естественного покрытия свежеобразованных поверхностей трещин, образующих в деформируемом, вмещающем проводимую горную выработку в соляном массиве, и имеющих аэродинамическую связь с объемом выработки, пленкой насыщенного соляного раствора. Выемку соляных горных пород ведут одновременно с воздействием растворителем на соляной массив, вмещающий горную выработку, на свежеобразованные в процессе выемки ограждающие горную выработку поверхности, на отдельности горной массы, образующейся в процессе выемки. В качестве растворителя используют пары воды, которые подают в проводимую горную выработку вместе с вентиляционным воздухом в количестве, обеспечивающем покрытие пленкой насыщенного соляного раствора свежеобразованных поверхностей, соляных поверхностей отдельностей горной массы и поверхностей трещин, имеющих аэродинамическую связь с объемом проводимой горной выработки. 1 ил.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при подземном способе отработки выбросоопасных соляных горных пород, сложенных гигроскопичными водорастворимыми минералами.

Известен способ выемки выбросоопасных пластов по авт. свид. СССР N 1488520, кл. E 21 F 5/00, E 21 C 41/00, 1987, предусматривающий предварительное формирование в вертикальной плоскости кровли пласта опережающей дегазационно-разгрузочной полости, выемку пласта с одновременным формированием позади забоя выработки разгрузочной щели.

Недостатками способа являются сложность формирования опережающей дегазационно-разгрузочной полости, невозможность предотвращения внезапных выбросов горных пород и газа со стороны почвы и боков выработки, нежелательный привнос в выработку штыба пустой породы, образующегося при формировании дегазационно-разгрузочной полости и разгрузочной щели.

Известен способ выемки выбросоопасных пластов, сложенных гигроскопичными водорастворимыми минералами, с предварительным нагнетанием в пласт растворителя - воды, принят за прототип (И.И. Медведев и Г.Д. Полянина. Газовыделения на калийных рудниках, М.: Недра, 1974, с. 157 - 160).

Недостатками способа являются: высокая трудоемкость работ, связанных с влагообработкой горного массива; переувлажненность и размыв горных пород обрабатываемой части горного массива, что приводит к ухудшению устойчивости проводимой горной выработки и слеживаемости образовавшихся в процессе выемки отдельностей горной массы; увеличение проходческого цикла в связи с последовательным характером выполнения профилактических работ, связанных с нагнетанием воды в пласт, и работ по непосредственной выемке пласта.

Изобретение направлено на решение задачи по повышению безопасности, экономичности и технологичности ведения горных работ при выемке выбросоопасных соляных горных пород.

Решение данной задачи опосредовано новым техническим результатом, заключающимся в создании в объеме проводимой горной выработки микроклимата с параметрами, обуславливающими динамическое естественное покрытие свежеобразованных в процессе выемки соляных горных пород и деформирования вмещающего проводимую горную выработку соляного массива, электрически заряженных трещин, имеющих аэродинамическую связь с объемом проводимой выработки, пленкой соляного насыщенного раствора, нейтрализующего электрический потенциал до момента контакта с этими поверхностями природных горючих газов, жидкостей и окислителя.

Существенные признаки заявленного технического решения: ограничительные - воздействия на соляной массив, вмещающий горную выработку, растворителем и выемка соляных горных пород, подвергнутых воздействию растворителем; отличительные - выемку соляных горных пород ведут одновременно с воздействием на соляной массив, вмещающий горную выработку, на свежеобразованные в процессе выемки ограждающие горную выработку поверхности, на отдельности горной массы, образующейся в процессе выемки, растворитель, в качестве которого используют пары воды, которые подают в проводимую горную выработку вместе с вентиляционным воздухом в количестве, обеспечивающем покрытие пленкой насыщенного соляного раствора свежеобразованных в процессе выемки соляных, ограждающих горную выработку, поверхностей, соляных поверхностей отдельностей горной массы, свежеобразованной в процессе выемки горных пород и свежеобразованных в процессе деформирования вмещающего горную выработку массива, поверхностей трещин, имеющих аэродинамическую связь с объемом проводимой горной выработки; для этого перед выемкой выбросоопасных соляных горных пород определяют расход (G_BB), мм³/мин, температуру (T), K, относительную влажность (f_BB), x, вентиляционного воздуха, поступающего в забой проводимой горной выработки, и относительную влажность воздуха, исходящего из призабойной зоны проводимой горной выработки (f_исх), %, устанавливают интенсивность отделения горных пород от массива при выемке (A), т/мин, рассчитывают величину оптимальной относительной влажности вентиляционного воздуха (f_опт.), используя выражение: где W - приведенный к единице массы горных пород, отделяемых от соляного массива в процессе выемки, расход паров воды, достаточный для покрытий пленкой насыщенного соляного раствора свежеобразованных в процессе выемки соляных, ограждающих горную выработку поверхностей, и поверхностей отдельностей горной массы, свежеобразованной в процессе выемки горных пород, кг/т; E - давление насыщенных паров воды при температуре вентиляционного воздуха, гПа; f_гиг - относительная влажность воздуха, соответствующая порогу гигроскопичности минерала, образующего соляную горную породу и обладающего максимальным значением величины порога гигроскопичности, по отношению к другим породообразующим минералам.

Полученное ее значение сравнивают с величиной относительной влажности вентиляционного воздуха, в случае, если значение f_опт окажется больше величины f_BB, то забираемый для проветривания горной выработки свежий воздух увлажняют до приобретения вентиляционным воздухом относительной влажности, равной f_опт, далее величину относительной влажности воздуха, исходящего из призабойной части проводимой горной выработки, сравнивают с f_гиг, в случае, если величина f_исх окажется меньше величины f_гиг, то значение величины оптимальной относительной влажности вентиляционного воздуха увеличивают на величину, равную разности между f_гиг и f_исх, и забираемый для проветривания горной выработки свежий воздух доувлажняют до приобретения вентиляционным воздухом влажности, равной новому значению величины оптимальной относительной влажности вентиляционного воздуха. После этого приступают к выемке выбросоопасных соляных горных пород с одновременной подачей в забой проводимой горной выработки кондиционного воздуха при текущем контролировании и регулировании его параметров.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков и ожидаемым техническим результатом заключается в следующем.

В результате исследований установлено, что механизм внезапных выбросов соли и газов связаны с наличием в массиве соляных горных пород зон с повышенным внутренним напряженным состоянием; с образованием в массиве горных пород, вмещающем горную выработку, упругих полей напряжений растяжения, обусловленных проявлением горного давления; с локальным перенапряжением горных пород и тепловыми флуктуациями; зарождением и ростом быстробегущих (со скоростью звука) макротрещин, при хрупком разрушении соляных горных пород; с возникновением в вершинах быстробегущих трещин местного разогрева горных пород (до 1000^oC); с электризацией поверхности расхода и высвобождением потенциальной энергии в виде эмиссии электронов высокой энергии (порядка 40 - 100 кЭВ); с каталитическим воздействием свежеобразованных (ювенильных) поверхностей трещин на процессе окисления (горения и взрыва) горючих газов (водород, метан, этан, пропан, гексан, пентан, сероводород) и битумов.

По предлагаемому изобретению пары воды подают в объем проводимой выработки вместе с вентиляционным воздухом в таком количестве, чтобы обеспечить динамическое естественное (за счет гигроскопических и депрессионных сил) покрытие пленкой насыщенного соляного раствора всех свежеобразуемых соляных поверхностей. Во-первых, это свежеобразуемые в процессе выемки соляных горных пород соляные, ограждающие горные выработки, поверхности: во-вторых, это соляные поверхности отдельностей горной массы, образуемой в процессе выемки соляных горных пород; в-третьих, это свежеобразуемые в процессе деформирования горного массива, вмещающего проводимую горную выработку, поверхности трещин, имеющих аэродинамическую связь с объемом проводимой выработки. Собственно говоря, покрытие последних свежеобразуемых поверхностей пленкой насыщенного соляного раствора и исключает возникновение воспламенений и взрывов природных газов и жидкостей, определяющих возникновение и интенсивность развития внезапных выбросов соли и газов. Покрытие других видов свежеобразующихся соляных поверхностей пленкой насыщенного соляного раствора носит необходимый сопутствующий характер, способствует достижению побочных эффектов: пыле-, газоподавление, компенсация иссушающего действия солей на организм работающих в проводимой горной выработке.

Экспериментально установлено, что в сравнении с рудничными газами пары воды обладают исключительно высокой физикохимической активностью и практически мгновенно (этому способствует разрежение, возникающее при разрыве сплошности - трещинообразовании) вступает во взаимодействие с ионами кристаллических решеток соляных минералов; при концентрации паров воды, соответствующей порогу гигроскопичности солей, покрывают свежеобразованные поверхности трещин пленкой насыщенного соляного раствора, компенсируя энергетический потенциал ювенильных поверхностей и нейтрализуя их активные точки и зоны, предотвращая контакт с ними легковоспламеняющих газов, жидкостей и окислителя.

Установлено, что для породообразующего минерала сильвина (KCl) порог гигроскопичности при 10^oC соответствует относительной влажности воздуха 87,6%, для гашита (NaCl - 76,2%, для межзеренного пространства (KCl - NaCl) - 74,3% и т.д. Кроме того, соляной раствор, обладая высокой теплопроводностью, охлаждает поверхности микротрещин до температуры, исключающей активацию молекул горючих газов; взаимодействие конденсирующихся на поверхностях трещин паров воды с ионами соляных минералов стимулирует возрастание числа дефектов кристаллических решеток (дислокации), что приводит к снижению упругих свойств горных пород и одновременному увеличению их пластичности и деформируемости, к разрушению вершин трещин и, как следствие, к снижению концентрации напряжения и поглощению подводимой от деформируемого массива горных пород упругой энергии, способствует предупреждению внезапных выбросов соли и газов.

На чертеже показана схема выемки выбросоопасных соляных горных пород.

Способ выемки выбросоопасных соляных горных пород осуществляется следующим образом.

Первоначально, в воздухоподающей горной выработке 1, на свежей струе, устанавливают передвижной пункт 2 местного доувлажнения воздуха, который через вентилятор местного проветривания 3 подключают к вентиляционному трубопроводу 4. Автоматизированную установку доувлажнения воздуха, регуляторы, исполнительные механизмы и микропроцессор передвижного пункта 2 приводят в электронную связь с датчиком расхода 5, датчиком температуры 6 и датчиком относительной влажности 7 вентиляционного воздуха, подаваемого в проводимую горную выработку 8 по вентиляционному трубопроводу 4, и датчиком 9 относительно влажности воздуха, исходящего из призабойной части горной выработки 8.

Выемку выбросоопасных горных пород 10 производят с помощью проходческо-очистного комбайна 11, бункера-перегружателя 12 и самоходного вагона (на чертеже не показан) одновременно с воздействием растворителем на соляной массив 10, вмещающий горную выработку 8; на свежеобразованные в процессе выемки ограждающие горную выработку 8 поверхности 13; на отдельности горной массы 14, образующейся в процессе выемки. В качестве растворителя используют пары воды, которые подают в проводимую горную выработку 8 вместе с вентиляционным воздухом в количестве, обеспечивающем покрытие пленкой насыщенного соляного раствора свежеобразованных, в процессе выемки соляных, ограждающих горную выработку 8, поверхностей 13; соляных поверхностей отдельностей горной массы 14, свежеобразованной в процессе выемки горных пород; и свежеобразованных в процессе деформирования вмещающего горную выработку 8 соляного массива 10, поверхностей трещин 15, имеющих аэродинамическую связь с объемом проводимой горной выработки 8. Перед выемкой выбросоопасных соляных горных пород в микропроцессор передвижного пункта 2 местного доувлажнения воздуха вводят алгоритм для определения величины оптимальной относительной влажности вентиляционного воздуха и выполнения логических операций, данные о приведенной к единице массы горных пород 10, отделяемых от массива в процессе выемки, расходе воды, достаточном для создания условий для покрытия пленкой насыщенного раствора свежеобразованных в процессе выемки соляных, ограждающих горную выработку 8, поверхностей 13 и соляных поверхностей отдельностей горной массы 14, образованной в процессе выемки горных пород 10 (W), кг/т; интенсивности отделения горных пород 10 от массива при выемке (A), т/мин; давления насыщенных паров воды при температуре вентиляционного воздуха (E) гПа; относительной влажности воздуха, соответствующей порогу гигроскопичности минерала, образующего соляную горную породу 10 и обладающего максимальным значением величины порога гигроскопичности по отношению к другим породообразующим минералом (f_гиг),%; в закодированном виде обеспечивается непрерывное поступление показаний датчика 5 - расхода вентиляционного воздуха (Q_BB), м³/мин; датчика 6 - температуры вентиляционного воздуха (T), K; датчика 7 - относительной влажности вентиляционого воздуха (f_BB), % и датчика 9 - относительной влажности воздуха, исходящего из призабойной части горной выработки 8 (f_исх), %. Для определения оптимальной относительной влажности вентиляционного воздуха (f_опт) используют выражение: Расчетное значение оптимальной относительной влажности вентиляционного воздуха в микропроцессоре сравнивается с величиной относительной влажности воздуха, поступающего в проводимую горную выработку 8. В случае, если величина f_опт окажется больше величины f_BB, то подается команда исполнительным механизмам и забираемый для проветривания горной выработки 8 свежий воздух увлажняется до приобретения вентиляционным воздухом относительной влажности f_опт. После этого производится сравнение величины относительной влажности воздуха, исходящего из призабойной части проводимой горной выработки 8, с f_гиг. В случае, если величина f_исх окажется меньше величины f_гиг, то значение величины оптимальной относительной влажности воздуха увеличивается на величину, равную разнице между f_гиг и f_исх, и подается команда на доувлажнение забираемого для проветривания горной выработки 8 свежего воздуха до приобретения вентиляционным воздухом влажности, равной новому значению величины оптимальной относительной влажности вентиляционного воздуха. При достижении равенства между f_исх и f_гиг приступают к выемке выбросоопасных соляных горных пород с одновременной подачей в забой проводимой горной выработки 8 кондиционного воздуха при текущем контролировании и регулировании его параметров.

Пример конкретного выполнения способа.

Выемка выбросоопасного калийного пласта ведется с применением проходческо-очистного комбайна Урал-10 кс. Для проветривания выработки и подачи необходимого количества паров воды для предотвращения внезапных выбросов соли и газов используют вентилятор СВМ-6м, соединенный одним концом с трубопроводом типа М, диаметром 600 мм, а другим - с передвижным пунктом местного доувлажнения вентиляционного воздуха. В конструкции передвижного пункта местного доувлажнения воздуха используется автоматическая установка доувлажнения типа "Туман" с электрическими исполнительными механизмами, укомплектованная датчиками расхода, температуры, влажности воздуха и микропроцессором. При приведенном расходе паров воды (W), равном 0,1 кг/т, определяется экспериментально в шахтных условиях; интенсивности отделения соляных горных пород от массива при выемке комбайнов 3 т/мин; температуре вентиляционного воздуха (T), равной 283 K; давлении насыщенных паров воды (E) при температуре 283 K, равном 12,25 гПа; расходе вентиляционного воздуха (G_BB), равном 280 м³/мин; относительной влажности воздуха (f_гиг), соответствующей порогу гигроскопичности пороодообразующего минерала - сильвина, 87,6% оптимальная относительная влажность вентиляционного воздуха, определенная из выражения:
составит 98,6%. Тогда, при величине относительной влажности свежего воздуха 45%, что характерно для калийных рудников в зимний период на расстоянии до 2 км от воздухоподающего ствола, для доувлажнения вентиляционного воздуха в течение семичасовой рабочей смены потребуется 591,2 кг воды.

При применении предложенного способа выемки выбросоопасных соляных горных пород полностью исключаются внезапные выбросы соли и газов и тем самым повышаются безопасность и эффективность ведения горных работ.

Способ позволяет довести уровень запыленности воздуха на рабочем месте машиниста проходческо-очистного комбайна до предельно допустимых концентраций (10 мг/м³), в настоящее время фактическая запыленность воздуха превышает предельно допустимые уровни в десятки и сотни раз. Исключаются простои высокопроизводительного добычного оборудования, связанные с выполнением профилактических мероприятий до предупреждения внезапных выбросов соли и газов. Обеспечиваются подавление продуктов распада радиоактивных газов, торона и радона, компенсация иссушающего действия на организм работающих градиента давления паров воды, обусловленного высокой гигроскопичностью природных минеральных солей.

Формула изобретения

Способ выемки выбросоопасных соляных горных пород, включающий воздействие на соляной массив, вмещающий горную выработку, растворителем и выемку соляных горных пород, подвергнутых воздействию растворителем, отличающийся тем, что выемку соляных горных пород ведут одновременно с воздействием на соляной массив, вмещающий горную выработку, на свежеобразованные в процессе выемки ограждающие горную выработку поверхности, на отдельности горной массы, образующейся в процессе выемки, растворителем, в качестве которого используют пары воды, которые подают в проводимую горную выработку вместе с вентиляционным воздухом в количестве, обеспечивающем покрытие пленкой насыщенного соляного раствора свежеобразованных в процессе выемки соляных, ограждающих горную выработку, поверхностей, соляных поверхностей отдельностей горной массы, свежеобразованной в процессе выемки горных пород, и свежеобразованных в процессе деформирования вмещающего горную выработку массива поверхностей трещин, имеющих аэродинамическую связь с объемом проводимой горной выработки, для этого перед выемкой выбросоопасных соляных горных пород определяют расход Q вв, м³/мин, температуру T, K, относительную влажность f_вв, %, вентиляционного воздуха, поступающего в забой проводимой горной выработки, и относительную влажность воздуха, исходящего из призабойной зоны проводимой горной выработки f_исх, %, устанавливают интенсивность отделения горных пород от массива при выемке A, т/мин, рассчитывают величину оптимальной относительной влажности вентиляционного воздуха _опт, используют выражение

где W - приведенный к единице массы горных пород, отделяемых от соляного массива в процессе выемки, расход паров воды, достаточный для покрытия пленкой насыщенного соляного раствора свежеобразованных в процессе выемки соляных ограждающих горную выработку поверхностей и поверхностей отдельностей горной массы, свежеобразованной в процессе выемки горных пород, кг/т;
E - давление насыщенных паров воды при температуре вентиляционного воздуха, гПа;
f_гиг - относительная влажность воздуха, соответствующая порогу гигроскопичности минерала, образующего соляную горную породу и обладающего максимальным значением величины порога гигроскопичности, по отношению к другим породообразующим минералам,
полученное ее значение сравнивают с величиной относительной влажности вентиляционного воздуха, в случае, если величина f_опт окажется больше величины f_вв, то забираемый для проветривания горной выработки свежий воздух доувлажняют до приобретения вентиляционным воздухом относительной влажности, равной f_опт, далее величину относительной влажности воздуха, исходящего из призабойной части проводимой горной выработки, сравнивают с f_гиг, в случае, если величина f_исх окажется меньше величины f_гиг, то значение величины оптимальной относительной влажности вентиляционного воздуха увеличивают на величину, равную разности между f_гиг и f_исх, забираемый для проветривания горной выработки свежий воздух доувлажняют до приобретения вентиляционным воздухом влажности, равной новому значению величины, оптимальной относительно влажности вентиляционного воздуха, после этого приступают к выемке выбросоопасных соляных пород с одновременной подачей в забой проводимой горной выработки кондиционного воздуха, при текущем контролировании и регулировании его параметров.

РИСУНКИ

Рисунок 1