Борьба с выделениями и взрывами метана

В шахтах, опасных по газу (т. е. в таких, в которых хотя бы на одном пласте обнаружен метан), необходимо соблюдать специаль­ный режим, одно из основных требований которого заключается в разжижении выделяющегося метана до безопасных концентраций. Правилами безопасности установлены следующие предельные кон­центрации метана (в процентах по объему):

Исходящая вентиляционная струя из участка, очистных за­боев и подготовительных выработок........... 1,00

Общая исходящая струя из шахты, крыла......... 0,75

Поступающая струя в очистные или подготовительные забои……. 0,50 Местное (в отдельных местах) скопление в очистных ьабоях,

в подготовительных и других выработках........ 2,00

Запрещается приступать к заряжанию шпуров и производить взрывные работы при содержании в забое, а также в примыкающих к нему выработках на протяжении 20 м от него и в местах укрытия взрывника 1 % метана и более.

Если в отдельных местах образуются скопления метана, достига­ющие 2%, то работы прекращаются, и возобновлять их разрешается только после снижения содержания метана до 1%.

В течение целого ряда десятилетий разбавление метана до допу­стимых норм (хотя сами нормы неоднократно менялись) осуществля­лось главным образом вентиляционными средствами. Однако в по­следние годы в связи с переходом на разработку глубоких горизонтов и интенсификацией процессов добычи угля газообильность шахт так возросла, что обычные методы вентиляции не могут обеспечить сни­жения концентрации до установленных норм. Вследствие этого возникла необходимость управления газовыделением с целью умень­шения общего количества выделяющихся в выработки газов, регули­рования выделения во времени, а также предупреждения или умень­шения интенсивности суфлярных выделений и внезапных выбросов.

Дегазация.

Наиболее распространенным способом сниже­ния газообильности угольных шахт является дегазация разрабаты­ваемых и сближенных угольных пластов и выработанных прост­ранств, представляющая собой комплекс мероприятий по сбору и обособленной выдаче из шахты концентрированных метано-воздуш-ных смесей. Дегазацию начали применять в СССР с 1952 г., и она быстро получила распространение.

В настоящее время дегазация (или изолированный отвод метана) применяется практически на всех шах­тах, количество отсасываемого или отводимого метана достигает 1,4 млн. м³/сутки, а в 2010 г. составит около 2,5 млн. м³/сутки.

Отсасываемый метан используется пока явно недостаточно, всего на 10 —15%. Он применяется главным образом для нагрева паровых котлов в шахтных котельных.

В шахтах России применяются три основные группы способов дегазации:

а) дегазация угольных пластов и вмещающих пород без использования эффекта разгрузки от горного давления;

б) дегазация подрабатываемых и надрабатываемых смежных угольных пластов и вмещающих пород с использованном эффекта разгрузки от горного давления;

в) отсос метано-воздушных смесей из выработанных про­странств.

Каждая группа подразделяется на ряд схем и вариантов в зависимости от горнотехнических условий разработки, геологиче­ских особенностей месторождений, газопроницаемости пластов, нали­чия сближенных пластов и т. п.

Дегазация угольного пласта до начала очистных работ иногда производится путем отсасывания газа из предварительно проведен­ных и затем изолированных герметизирующими перемычками подго­товительных выработок. При этом для удаления газа через перемычки пропускается газопровод. Этот способ дегазации рекомендуется при­менять только при высокой газопроницаемости пласта. Срок дегаза­ции от 8 до 12 месяцев.

В настоящее время Московским горным институтом проведены

лабораторные и натурные исследования по предварительной дегаза­ции с

направленным гидравлическим расчленением пластов, осуще­ствляемой с

земной поверхности до проведения горных работ и без связи с ними.

Сущность этого метода заключается в том, что на участки дегазируемых

пластов проводятся на расстоянии 250—300 м одна от другой буровые

скважины (или используются скважины гео­логоразведочного бурения), через

которые производится гидрорасчле­нение пласта. Для направленного

введения рабочей жидкости в пласте абразивным гидроперфоратором

создается щель высотой 30—40 мм, радиусом от 1 до З м. Закачка жидкости

ведется с медленным нараста­нием расхода до 125 л/сек. При этом вокруг

скважины па расстоянии порядка 100 м происходит раскрытие трещин.

Общий расход жидкости при закачке достигает 900 м3, песка 30—40 т.

После откачки из скважины жидкости начинает выделяться газ, причем среднесуточный дебит равен 1000—4000 м³, а в отдельные сутки доходит до 6000 м³.

После дегазации таким способом пласта K ₁₂ (Караганда) газо­обильность выработок при его выемке была в 4—6 раз меньше, чем ожидалось без дегазации, и в 2—3 раза меньше газообильности выра­боток в аналогичных условиях, но при дегазации с помощью восста­ющих скважин, пробуренных по пласту. Для сокращения срока дега­зации рассматриваемым способом рекомендуется применять испаря­ющиеся при атмосферных условиях и пластовых температурах жидкости (например. СО2). При дегазации с земной поверхности скважины дают почти чистый метан, что облегчает его рацио­нальное использование и способствует окупаемости дегазацион­ных работ.

С использованием эффекта разгрузки от горного давления осуще­ствляется дегазация сближенных угольных пластов, т. е. газонос­ных пластов, залегающих на таком расстоянии от разрабатываемого, на котором происходят обрушение пород, разгрузка дегазируемого пласта от горного давления и повышенная газоотдача. Выделя­ющийся газ отсасывается через специальные скважины, пробуренные с вентиляционного (иногда с откаточного) штрека. Скважины эти должны пересекать дегазируемый пласт на границе зоны обрушения, где оседание пород происходит с образованием пустот, которые за­полняются газом. Поскольку успех дегазации зависит от правильной ориентировки дегазационных скважин, азимут, угол наклона и про­ектная глубина скважин определяются на основании точных марк­шейдерских данных.

Дегазация угольных пластов позволяет вести очистные работы на пластах, отличающихся высокой метанообильностью. Однако в последнее время возникают большие трудности при проведении подготовительных выработок, так как работы эти ведутся в основном еще до начала дегазации и в ряде случаев газовыделение в выработки достигает 6,0—7,5 м³'мин. Разжижение таких количеств газа свежей вентиляционной струей требует подачи в выработки громадных количеств воздуха. С целью создания безопасных условий проходки в настоящее время применяется ограждающая дегазация.

При проведении выработок по углю часто в их подкровельной части

образуются так называемые слоевые скопления метана, содержа­ние которого в

смеси с воздухом достигает 2% и более. Границей между воздушной струей и

слоем метано-воздудшной смеси принято считать поверхность с

концентрацией СН₄ 2%. Протяженность слоевых скоплений обычно 20—40 м.

но иногда достигает 100 м и более. Загазованию подвергаются обычно

призабойные части штре­ков, а также места геологических нарушений, зоны

трещиноватого угля и т. п.

Борьба со слоевыми скоплениями ведется путем увеличения скорости движения вентиляционной струи, прижа­тием воздушного потока к кровле выработки при помощи паруса, перекрывающего нижнюю часть выработки, и обеспечением деятель­ного перемешивания воздуха е кровле выработки. Последнее дости­гается при помощи сжатого воздуха, вытекающего из трубопровода через специальные отверстия.

Борьба с суфлярами. Суфлярные выделения часто вынуждают прекращать работу в забое и отводить газ по специаль­ному трубопроводу в исходящую струю шахты или по скважине на поверхность. После того как суфлярное выделение прекратится, работы возобновляются.

Если дебит суфляра невелик, то в ряде случаев возможно продол­жать проходческие работы при условии подачи достаточного коли­чества воздуха для разжижения выделяющегося метана и принятия мер против образования слоевых скоплений.

В тех случаях, когда на разрабатываемом месторождении суфляр­ные выделения связаны с тектоническими нарушениями или зонами трещиноватых, раздробленных пород, лучшей мерой борьбы с суфля­рами следует считать бурение специальных разведочных скважин при приближении забоя выработки к нарушению или к зоне трещиноватости. После вскрытия суфляра разведочными скважинами про­буриваются специальные дренажные скважины, через которые газ отводится на поверхность.

Вторичные суфляры вызываются производственными процессами, возникают неожиданно и к ним трудно заранее подготовиться. Спо­собы борьбы в этом случае зависят от характера выделения. Так, при возникновении суфляра и виде трещины, образовавшейся в ночве призабойного пространства лавы в результате разгрузки пород от горного давления, трещину закрывают швеллерами или рештаками, уплотняемыми бетонным покрытием. После этого выделяющийся метан отсасывается и выдается по трубам в исходящую струю или на поверхность.

Борьба с внезапными выбросами. Наиболее действенным способом борьбы с внезапными выбросами является разработка опасных и угрожаемых пластов после предварительной выемки защитных, т. е. залегающих выше или ниже выбросоопасных на таком расстоянии, при котором разработка их обеспечивает раз­грузку опасных и угрожаемых пластов. При пологом падении защит­ными являются пласты, залегающие выше опасных на расстоянии до 45 м по нормали и ниже опасных до 100 м. При крутом падении защитными считаются пласты, залегающие не более чем в 60 м по нормали выше или ниже опасного, если опытом не установлено защитное действие на большем расстоянии. Если имеются защитные пласты выше и ниже опасных, то в первую очередь разрабатывается вышележащий.

Правилами безопасности регламентированы порядок проведения откаточного штрека и величина опережения им очистного забоя на крутых пластах, опасных по выбросам; восстающие выработки разре­шается проходить только сверху вниз по предварительно пробурен­ным опережающим скважинам; установлен также порядок вскрытия опасных пластов квершлагами. В последнем случае опасность внезап­ного выброса особенно велика, вследствие чего при подходе забоем квершлага к пласту на расстояние 10 м обязательны бурение двух передовых скважин длиной не менее 6 м, уменьшение площади попе­речного сечения квершлага до 5 м², предварительное проведение вы­работки, соединяющей квершлаг с вентиляционным горизонтом, для отвода газа при внезапном выбросе.

При проведении выработок по углю для предупреждения внезап­ных выбросов бурят опережающие скважины диаметром 250—300 мм; в некоторых случаях применяют опережающую крепь, предохрани­тельные щиты и другие меры защиты.

В соответствии с Правилами безопасности, взрывные работы по углю на пластах, опасных по внезапным выбросам угля и газа, при очистных работах и проведении горизонтальных и наклонных выра­боток должны вестись только в режиме сотрясательного взрывания, т. е. взрывания усиленным зарядом ВВ с соблюдением целого ряда установленных мер безопасности.

Поскольку сотрясательное взрывание может вызвать выброс большой интенсивности, нарушающий нормальную работу шахты, а иногда после него возникают запоздалые выбросы, в последние годы исследуется эффективность так называемого камуфлетного взрывания, которое лишь разрыхляет массив, увеличивает зону раз­грузки и предотвращает опасность развития внезапного выброса.

Чтобы предупредить внезапные выбросы пород, которые, как указывалось, возникают обычно при ведении проходческих работ по пластам песчаника, рекомендуется располагать выработки ближе к почве или кровле пласта, так как наиболее выбросоопасной яв­ляется его средняя часть. Для уменьшения опасности выброса реко­мендуется: производить предварительное увлажнение породного массива, которое уменьшает напряжения в призабойной части; при­менять разгрузочные щели, предварительную отработку защитных пластов (когда это возможно), охлаждать призабойную часть мас­сива, проводить выработки уменьшенным сечением с последующим расширением их до проектного.