Способ дегазации выработанного пространства

Изобретение относится к горной промышленности, используется для дегазации выработанного пространства при отработке выемочных столбов на пологих и наклонных высокогазоносных угольных пластах, в том числе тех, уголь которых склонен к самовозгоранию. Техническим результатом является повышение безопасности труда шахтеров при повышении эффективности и упрощении технологии изолированного отвода метана из выработанного пространства действующего очистного забоя. Способ включает проходку вскрывающих и оконтуривающих выемочный столб горных выработок, бурение, по крайней мере, одной дегазационной скважины в купол обрушения горных пород, обсадку указанной скважины трубами, герметизацию затрубного пространства в ней и подключение дегазационной скважины к дегазационному трубопроводу. Оконтуривающие горные выработки проходят под углом наклона к горизонту не менее 3 градусов. Монтажную камеру располагают на максимальной высотной геодезической отметке оконтуренного выемочного столба. Дегазационную скважину бурят в купол обрушения горных пород над монтажной камерой из наклонной фланговой вскрывающей горной выработки. 3 ил.

 

Техническое решение относится к горной промышленности и может использоваться для дегазации выработанного пространства при отработке выемочных столбов на пологих или наклонных высокогазоносных угольных пластах, в том числе тех, уголь которых склонен к самовозгоранию.

Известен способ дегазации выработанных пространств шахтных полей по патенту РФ №2097568, класс E21F 7/00, опубл. в БИ №33 за 1997 г., включающий проходку оконтуривающих выемочный столб выработок, принятие расстояния от монтажной камеры до первой скважины равным шагу посадки основной кровли, а на оставшейся части длины выемочного столба принятие расстояния равным двум-трем шагам посадки кровли, бурение скважины, чтобы она пересекала разрабатываемый пласт и углублялась на 3÷5 м в породы почвы, производство инклинометрической съемки перед обсадкой скважины, обсадку скважины колонной стальных перфорированных труб диаметром не менее 100 мм, чтобы ее нижний конец располагался не ниже 3÷5 м над кровлей пласта, герметизацию скважины от поверхности на расстояние не менее 10 м, утепление устья скважины, подвигание забоя, подключение скважины к устройству отсоса газа. При этом бурят скважины в установленные естественные зоны повышенной трещиноватости горного массива. Для этого размечают вдоль всей длины оконтуривающих выработок геофизические пикеты с шагом, обеспечивающим необходимую глубину контроля трещиноватости массива, определяют наличие зон повышенной естественной трещиноватости в массиве методом радиоволнового зондирования и при наличии зон в выемочном столбе замеряют протяженность выемочного столба, ширину и число указанных зон трещиноватости в пределах столба, расстояние между ними и до выработок, замеряют углы ориентации зон относительно осей оконтуривающих выработок в плоскости пласта и по мощности массива, располагают последующую ближайшую скважину так, чтобы она находилась в начале зоны повышенной трещиноватости от монтажной камеры. После этого подключают скважину к устройству отсоса газа с возможностью изменения вакуума. Отмечают расстояние от начала замера газообильности, равное шагу обрушения пород кровли до скважины, пробуренной в зоне повышенной трещиноватости и после нее. Замеряют газообильность выработок, примыкающих к выработанному пространству, фактическую без дегазации и с дегазацией, допустимую газообильность выработок, примыкающих к выработанному пространству, по факту вентиляции без дегазации. Сравнивают значения, определяют относительный коэффициент эффективности дегазации и поддерживают его на требуемом уровне путем регулирования вакуума и изменения расстояний между скважинами.

К недостаткам способа следует отнести то, что при его использовании производят дегазацию невыработанного пространства, а опережающую дегазацию выемочного столба впереди очистного забоя в зонах с повышенной трещиноватостью и нарушенностью угольного пласта. Следовательно, при использовании этого способа дегазацию выработанного пространства практически не производят, а значит, не исключается опасность поступления метана из выработанного пространства в очистной забой и в примыкающие к нему горные выработки.

Известен способ дегазации выработанного пространства по авт. св. СССР №1559207, класс E21F 7/00, опубл. в БИ №15 за 1990 г., включающий оконтуривание выработками действующего выемочного поля между смежными полями, нарезку выемочных столбов, отработку действующего выемочного столба, изоляцию отработанного столба перемычками от участковых основных и фланговых выработок, определение мест заложения вертикальной блоковой и фланговой скважин и их бурение до начала ведения очистных работ, проведение буровых камер по обе стороны от оконтуривающих выемочное поле выработок и извлечение газа. При этом из буровых камер, по обе стороны от вертикальных скважин бурят горизонтальные скважины в выработки, оконтуривающие выемочные поля по падению, которые поддерживают в выработанном пространстве. Соединяют забой каждой вертикальной скважины с устьями горизонтальных скважин трубами одинакового диаметра, которые оборудуют устройствами регулирования расхода газа и отверстиями с заглушками для отбора проб газа. При этом отбирают пробы газа в каждой горизонтальной и вертикальной скважинах, определяют коэффициент дегазации и поддерживают его на требуемом уровне путем регулирования расхода газа из скважин.

Недостаток этого способа заключается в том, что для его реализации требуется большой объем дополнительных трудоемких и затратных работ по креплению горных выработок для приведения их в состояние, отвечающее условиям их поддержания в выработанном пространстве в зоне опорного горного давления в течение всего срока отработки выемочного поля. В подобных горных выработках, которые, для реализации способа, должны поддерживаться в выработанном пространстве на контакте с угольным массивом, запрещается присутствие людей. Следовательно, в данных выработках невозможно производить контроль состояния крепи, соответственно невозможно осуществлять ремонтно-восстановительные работы для поддержания выработок. Кроме того, под действием опорного горного давления краевая часть угольного массива, вдоль которого в выработанном пространстве находятся поддерживаемые выработки, будет деформироваться и разрушаться. При этом из массива в поддерживаемую выработку будет отжиматься раздавленный уголь, образуя концентрированные скопления разрыхленного угля. В результате отсоса газа из выработанного пространства, вдоль краевых частей угольного массива - в места формирования концентрированных скоплений разрыхленного угля, будет поступать воздух из действующих горных выработок. Так как время, в течение которого будет производиться отработка выемочного поля, многократно превышает инкубационный период самовозгорания угля, то непосредственно в этих местах будут возникать очаги эндогенных пожаров. При подобном способе дегазации выработанного пространства выемочного поля, когда в нем для отвода газа поддерживаются несколько горных выработок большой протяженности, в случае возникновения эндогенного пожара практически невозможно будет определить местонахождение очага самовозгорания угля. В связи с этим усложнятся работы по локализации и тушению возникшего в выработанном пространстве эндогенного пожара, так как произойдет снижение их эффективности. Кроме того, в течение всего времени, пока возникший эндогенный пожар не будет потушен, будет сохраняться повышенная опасность, обусловленная возможностью осложнения аварии взрывами и распространением пожара в действующие горные выработки.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ дегазации выработанного пространства угольного пласта и купола обрушения, образующегося по мере отработки угольного пласта, по авт. свид. СССР №883514, класс E21F 7/00, опубл. в БИ №43, 1981 г., включающий прохождение в массиве горных пород гезенка из горной выработки, оконтуривающей отрабатываемый участок угольного пласта по простиранию угольного пласта, образование из гезенка в угольном пласте буровой камеры, прохождение из буровой камеры с помощью бурового оборудования, содержащего буровую штангу и став наращиваемых перфорированных буровых труб, дегазационной скважины вдоль простирания угольного пласта на высоте купола обрушения горных пород, проведение дегазационных и очистных горных работ. При этом с одновременным подвиганием очистного забоя за счет долговременного поддержания дегазационных скважин, а также исключения необходимости перемонтажа бурового оборудования, гезенк проходят на высоту купола обрушения горных пород предварительно перед началом ведения очистных работ. Дегазационную скважину проходят вслед за подвиганием очистного забоя, увеличивая ее протяженность соответственно величине подвигания очистного забоя. При этом протяженность дегазационной скважины по простиранию угольного пласта от ее устья ограничивают контуром обрушенных пород выработанного пространства со стороны очистного забоя. Кроме того, долговременное поддержание дегазационной скважины производят, оставляя буровую штангу и став наращиваемых перфорированных буровых труб в скважине, на протяжении всего времени ведения очистных работ.

Недостаток данного способа заключается в необходимости дополнительного объема работ - проходке гезенка и буровой камеры в нем. Наличие в тупиковой части гезенка дегазационной скважины, которую, по мере подвигания очистного забоя, предусматривается добуривать и наращивать обсадными трубами, предопределяет необходимость обеспечить гезенк постоянным и интенсивным проветриванием. При этом следует отметить, что обеспечить герметичность устья дегазационной скважины от буровой камеры, соответственно и от гезенка,- задача трудновыполнимая, так как данным способом предусматривается производить бурение дегазационной скважины с наращиванием в ней става обсадных труб и одновременно использовать эту же скважину для газоотсоса. Кроме того, став из обсадных перфорированных труб в дегазационной скважине, при сдвижении пород над выработанным пространством, будет задавлен. После чего невозможно будет производить наращивание в скважине става из обсадных труб, соответственно и продолжать бурение дегазационной скважины по выработанному пространству вслед за подвиганием очистного забоя. В заключение следует указать, что в случае попыток практической реализации рассматриваемого способа люди, занятые на обслуживании буровой установки в гезенке, будут находиться в условиях повышенной опасности.

Техническая задача: повышение безопасности труда шахтеров при повышении эффективности и упрощении технологии изолированного отвода метана из выработанного пространства действующего очистного забоя за счет создания условий, при которых аккумуляция метана, выделяющегося в выработанном пространстве выемочного столба и поступающего в него из очистного забоя, происходит в куполе обрушения горных пород над монтажной камерой, из которого он изолированно отводится.

Поставленная задача решается тем, что в способе дегазации выработанного пространства, включающем проходку вскрывающих и оконтуривающих выемочный столб горных выработок, бурение, по крайней мере, одной дегазационной скважины в купол обрушения горных пород, обсадку указанной скважины трубами, герметизацию затрубного пространства в ней и подключение дегазационной скважины к дегазационному трубопроводу, согласно техническому решению оконтуривающие выемочный столб горные выработки проходят под углом наклона к горизонту не менее 3 градусов, а монтажную камеру располагают на максимальной высотной геодезической отметке оконтуренного выемочного столба, при этом дегазационную скважину бурят в купол обрушения горных пород над монтажной камерой из наклонной фланговой вскрывающей горной выработки.

Указанная совокупность признаков исключит возможность распространения взрыва метана из выработанного пространства в действующий очистной забой и в примыкающие к нему горные выработки, а также предотвратит образование слоевых скоплений метана на сопряжении очистного забоя с выработанным пространством. В результате практической реализации предлагаемого технического решения при одновременном повышении эффективности и упрощении технологии изолированного отвода метана повысится безопасность труда шахтеров за счет предотвращения аварий, обусловленных загазированием горных выработок и взрывами метана.

Сущность технического решения иллюстрируется примером реализации способа дегазации выработанного пространства (далее - способ) и чертежами, где на фиг.1 представлена схема отработки выемочного столба в плане; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1.

Способ осуществляют следующим образом. Проходят вскрывающие горные выработки. Проходку оконтуривающих выемочный столб 1 (фиг.1-3) горных выработок - конвейерного штрека 2 и вентиляционного штрека 3 - производят под углом наклона к горизонту не менее 3 градусов. Монтажную камеру 4 располагают на максимальной высотной геодезической отметке оконтуренного выемочного столба таким образом, чтобы весь подготовленный к отработке выемочный столб 1 был расположен ниже высотных отметок монтажной камеры 4. После отхода очистного забоя 5 от монтажной камеры 4 на расстояние шага посадки основной кровли из наклонной фланговой вскрывающей горной выработки 6 в часть 7 купола обрушения горных пород (далее - купол обрушения) над монтажной камерой 4 бурят дегазационную скважину 8, которую обсаживают трубами. Затрубное пространство в дегазационной скважине 8 герметизируют со стороны наклонной фланговой вскрывающей горной выработки 6, а обсадную трубу из дегазационной скважины 8 подсоединяют к дегазационному трубопроводу 9, проложенному по фланговой наклонной вскрывающей горной выработке 6. После подключения дегазационной скважины 8 к дегазационному трубопроводу 9 производят отсос газа из части 7 купола обрушения, сформировавшегося над монтажной камерой 4. По мере подвигания очистного забоя 5 часть метана (CH₄), выделяющегося при отбойке угля, с внутриучастковыми утечками воздуха будет поступать в выработанное пространство 10.

В выработанном пространстве 10, примыкающем к очистному забою 5, скорость движения утечек воздуха резко снижается, и в этих условиях происходит гравитационное разделение газов. При этом метан, как более легкий газ, «всплывает» в непроветриваемую часть 11 купола обрушения над очистным забоем 5 и, перемещаясь из части 11 вдоль выработанного пространства 10 в направлении максимальной высотной геодезической высотной отметки выемочного столба, аккумулируется в части 7 купола обрушения над монтажной камерой 4. В часть 7 над монтажной камерой 4 дренируется также метан, выделяющийся в выработанном пространстве 10 из обрушенных горных пород, а также из подработанного и надработанного углепородного массива. Из части 7 купола обрушения газовую смесь с высоким содержанием метана через дегазационную скважину 8 отсасывают в дегазационный трубопровод 9.

При осуществлении предлагаемого способа создают условия, при которых в части 11 купола обрушения над очистным забоем 5 исключается возможность образования газовой среды с взрывоопасной концентрацией метана в ней. Соответственно, устраняются опасность взрыва и появления слоевых скоплений метана на сопряжении очистного забоя 5 с вентиляционным штреком 3. Кроме того, количество воздуха, поступающего в выработанное пространство 10, снизится до величины, равной количеству газа, отсасываемого через дегазационную скважину 8. За счет уменьшения количества воздуха, поступающего в выработанное пространство 10, снижают опасность возникновения эндогенного пожара.

Способ дегазации выработанного пространства, включающий проходку вскрывающих и оконтуривающих выемочный столб горных выработок, бурение по крайней мере одной дегазационной скважины в купол обрушения горных пород, обсадку указанной скважины трубами, герметизацию затрубного пространства в ней и подключение дегазационной скважины к дегазационному трубопроводу, отличающийся тем, что оконтуривающие выемочный столб горные выработки проходят под углом наклона к горизонту не менее 3°, а монтажную камеру располагают на максимальной высотной геодезической отметке оконтуренного выемочного столба, при этом дегазационную скважину бурят в купол обрушения горных пород над монтажной камерой из наклонной фланговой вскрывающей горной выработки.