Конструирование систем разработки, обеспечивающих высокие нагрузки на забой по газовому фактору

Улучшение условий проветривания и увеличение нагрузки на очистной забой по газовому фактору достигается применением таких комбинаций систем разработки, в которых обеспечивается прямоточное движение воздуха с направлением исходящей струи в сторону, противоположную движению очистного забоя, и ее подсвежение на выходе из лавы. Поскольку этот вопрос является весьма важным при выборе систем разработки, то их конструирование, особенно для газоносных пластов, где они должны обеспечивать как можно большую нагрузку на очистной забой по газовому фактору, рассмотрим более подробно.

Источниками газовыделения в очистном забое и на выемочном участке являются разрабатываемый пласт и выработанное пространство, куда газ поступает из подрабатываемых и надрабатываемых угольных пропластков и сближенных пластов, а также из боковых пород. Газ, содержащийся в пласте, выделяется из отбитого в забое угля, из обнаженной поверхности пласта, а также при транспортировании угля по выработкам, как в самой лаве, так и в пределах выемочного участка. Часть его остается в пласте и в отбитом угле в виде остаточной газоносности.

С увеличением нагрузки на забой возрастает абсолютное газовыделение (м^з/мин) и в очистную выработку, и на участке в целом. Для разжижения метана до допустимых Правилами безопасности норм (не более 1% в исходящей струе из очистного забоя и участка) необходимо подавать определенное количество свежего воздуха. Однако действующие в соответствии с требованиями ПБ ограничения максимально допустимой скорости движения воздуха в призабойном пространстве и сравнительно небольшая площадь поперечного его сечения могут существенно ограничивать объем поступающего в забой воздуха.

Таким образом, для конкретных горно-геологических и горнотехнических условий нагрузка на очистной забой не может превышать максимально допустимой по газовому фактору. В то же время абсолютное газовыделение в очистную выработку во многом зависит от применяемой системы разработки и обусловливаемой ею схемы проветривания участка. Следовательно, зная закономерности газовыделения в очистном забое и на участке, представляется возможным управлять им путем применения соответствующих схем проветривания, а, значит, и систем разработки, и таким образом повысить нагрузку на забой по газовому фактору.

Этот вопрос приобретает особое значение в связи с тем, что основным направлением в интенсификации очистной выемки, как в настоящее время, так и в будущем является обеспечение максимальной нагрузки на забой. Применяемые угледобывающие комплексы могут обеспечить высокую нагрузку на лаву, однако на весьма газоносных пластах она может ограничиваться условиями проветривания.

На рис. 16.3 приведены основные варианты схем проветривания выемочных участков при различных вариантах систем разработки.

Произведем их анализ с точки зрения получения высоких нагрузок на очистной забой.

Методика расчета максимально допустимой по газовому фактору нагрузки на лаву изложена выше (см. п. 16.3.3).

Рисунок 16.3 – Схемы проветривания выемочных участков при различных системах разработки: а – столбовой; б – сплошной; в – сплошной с подсвежением исходящей струи, используя бывший транспортный штрек ранее отработанного этажа (яруса); г – комбинированной сплошной со столбовой без подсвежения исходящей струи; д – то же с подсвежением исходящей струи; е – комбинированной столбовой со сплошной без подсвежения исходящей струи; ж – то же с подсвежением и направлением исходящей струи на массив; з – то же с подсвежающей струей и направлением исходящей струи на выработанное пространство; и – то же с разбавлением исходящей струи по источникам газовыделения

Для количественной оценки влияния схемы проветривания, а, следовательно, и системы разработки на величину суточной нагрузки на лаву А^г_л.max произведем ее расчет для следующих условий: природная метаноносность разрабатываемого пласта мощностью m=1,4 м, подрабатываемого и надрабатываемого пропластков мощностью соответственно 0,4 и 0,3 м составляет x=15 м³/т; угол падения пласта a=10°; глубина разработки H=1000 м; длина лавы l_л=200 м; скорость подвигания забоя V_сут=3,2 м/сут; коэффициент крепости пород кровли по шкале проф. Протодьяконова f=4, способ управления кровлей — полное обрушение; охрана вентиляционного штрека осуществляется бутовой полосой с вентиляционными окнами. Относительное газовыделение из выработанного пространства во всех вариантах принято одинаковым и равным q_в.п=11,9 м³/т суточной добычи.

Не приводя промежуточных расчетов объемов газовыделения и допустимой нагрузки на очистной забой, дадим только их конечные результаты (табл. 16.2).

Таблица 16.2 – Результаты расчета суточной нагрузки на лаву для
различных систем разработки

Произведем анализ этих результатов.

При столбовой системе разработки (рис. 16.3, а), которая принята в качестве базового варианта при сравнении, весь выделяющийся в выработанное пространство газ выносится в верхнюю часть лавы (k_в.п=1) в исходящую струю, и для его разжижения до допустимых пределов (£1%) необходимо почти весь воздух подавать через лаву, что возможно лишь в ограниченном количестве (по допустимой скорости его движения). Этим и объясняется низкая нагрузка на забой по газовому фактору — 270 т/сут, и в этом отношении применение столбовой системы разработки на газоносных пластах нежелательно. Кроме низкой нагрузки на забой в ней не исключаются скопления газа в тупике погашаемой вентиляционной выработки.

При сплошной системе разработки (рис. 16.3, б) весь метан, выделяющийся в выработанное пространство, поступает на вентиляционный штрек. Однако в связи с бóльшими, чем в схеме (а) значениями утечек воздуха через выработанное пространство, нагрузка на забой несколько выше, чем при столбовой системе разработки (в нашем примере — на 17%) и составляет 284 т/сут.

Увеличения нагрузки на очистной забой можно достичь, если на вентиляционный штрек подавать дополнительное количество воздуха, используя для этих целей бывший транспортный штрек ранее отработанного яруса (этажа) и вентиляционные сбойки (рис. 16.3, в). Как видно из табл. 16.2, нагрузка на очистной забой при этой схеме изменяется в весьма широких пределах — от 270 до 873 т/сут, что обусловливается расположением вентиляционной сбойки относительно забоя лавы. При расстоянии 50–60 м и более практически весь метан из выработанного пространства утечками воздуха будет выноситься на вентиляционный штрек до вентиляционной сбойки, и на этом участке будет иметь место высокая концентрация метана. При этом максимальная нагрузка на забой такая же, как и при сплошной системе разработки (схема б). Если ограничить отставание вентиляционной сбойки до 10–15 м, то бóльшая часть метана, выносимая на вентиляционный штрек, будет разжижаться подсвежающей струей воздуха, и нагрузка на забой существенно возрастет (до 873 т/сут).

Комбинированные системы разработки сплошной со столбовой со схемами проветривания без подсвежения (рис. 16.3, г) и с подсвежением (рис. 16.3, д) исходящей струи воздуха обеспечивают одинаково низкие нагрузки на забой и даже более низкие, чем при столбовой системе разработки. Это объясняется тем, что происходит дополнительное выделение метана в лаву из зоны пласта, прилегающей к воздухоподающей выработке. Подсвежение исходящей струи в схеме (д) влияет только на концентрацию метана в исходящей струе участка и не влияет на содержание газа в исходящей из лавы.

По тем же причинам не дает увеличения нагрузки на забой и комбинированная система разработки столбовой со сплошной и подсвежающей струей воздуха (рис. 16.3, ж). Незначительный рост нагрузки по сравнению со схемой (д) объясняется снижением газовыделения в лаву из-за образования в период подготовки столба условного пояса естественного дренирования метана из зон пласта, прилегающих к обеим участковым выработкам. Этот вариант системы разработки также нецелесообразен к применению в газовых шахтах.

Комбинированные системы разработки столбовой со сплошной с прямоточной схемой проветривания и подсвежением исходящей струи (рис. 16.3, з, и) обеспечивают наиболее высокие нагрузки на очистной забой по газовому фактору. В условиях примера они соответственно в 4,2 и 5,6 раза выше, чем при столбовой системе разработки. Это объясняется тем, что весь выделяющийся в выработанном пространстве газ не попадает в лаву, а выходит на вентиляционный штрек, где он разбавляется подсвежающей струей воздуха. При этом надо иметь в виду, что искусственные сооружения для охраны вентиляционного штрека (бутовая полоса, костры, бутокостры и др.) должны обеспечивать свободный выход метана через них на штрек. Так, для этого бутовая полоса не должна иметь ширину более 5 м, а при большей ширине в ней должны специально устраиваться вентиляционные окна. Такие же окна следует предусматривать в литой полосе в случае применения её для охраны штрека.

Существенное увеличение нагрузки на забой в схеме (и) по сравнению со схемой (з) объясняется тем, газ, выделяющийся из угля при его транспортировании по штреку, не поступает в лаву. Схема (и) обеспечивает полностью обособленное разбавление метана по источникам его поступления, чем достигаются самые высокие нагрузки на очистной забой по газовому фактору. Помимо этого, происходит снижение запыленности и температуры воздуха в забое, так как пыль и тепло, выделяющиеся в транспортной выработке, отводятся в исходящую струю, минуя лаву.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что конструирование комбинированных систем разработки, обеспечивающих высокие нагрузки на забой по газовому фактору, должно базироваться на трех основополагающих принципах.

1. Исходящая струя из очистного забоя должна быть направлена в сторону выработанного пространства, то есть иметь направление, обратное движению лавы, что исключает попадание газа из выработанного пространства в лаву.

2. Свежая струя воздуха должна подаваться в лаву по выработкам, в которых не производится транспортирование угля, с таким расчетом, чтобы выделяющиеся из угля газ и тепло (а также образующаяся пыль) не попадали в очистной забой.

3. В вентиляционную выемочную выработку необходимо подавать дополнительное количество воздуха для разжижения метана в исходящей струе, причем подсвежающую струю необходимо направлять на участок по транспортной выработке.

Зная указанные принципы, можно самостоятельно сконструировать соответствующий условиям вариант комбинированной системы разработки, не запоминая всего многообразия вариантов.

Пример. Сконструировать вариант комбинированной системы разработки с выемкой спаренными лавами по восстанию на весьма газоносном пласте. Суточная нагрузка на забой А_л=800 т.

Решение. Ход решения задачи иллюстрируется рис. 16.4.

Рисунок 16.4 – Последовательность конструирования системы разработки с выемкой спаренными лавами по восстанию, обеспечивающей
высокую нагрузку на очистной забой по газовому фактору

1. Изображаем графически две спаренные лавы с минимально допустимым опережением одной относительно другой (для уменьшения вредного влияния опорного давления на среднюю выработку). Стрелками показываем направление выемки (рис. 16.4, а).

2. Показываем три выемочные выработки, обслуживающие лавы (рис. 16.4, б), пока еще не обозначая их функций.

3. Решаем вопрос, какие из выработок принять транспортными. Здесь могут быть два случая:

― в качестве транспортной принимается средняя наклонная выработка, обслуживающая обе лавы;

― в качестве транспортных принимаются бортовые наклонные выработки, каждая из которых обслуживает свою лаву, что целесообразно лишь при высоких нагрузках на забой. В нашем примере при A_л=800 т/сут можно ограничиться одной транспортной выработкой.

Принимаем последнее решение и стрелкой показываем направление транспортирования угля по средней выработке (рис. 16.4, в). Одновременно, пользуясь первым принципом, пунктирными стрелками показываем направление исходящей струи из лав в сторону выработанного пространства, не уточняя, по каким выработкам ее направить.

4. На основании второго принципа направляем свежую струю воздуха по бортовым выработкам, по которым не производится транспортирование угля. Изображаем на рисунке стрелками направление движения воздуха по выработкам и очистным забоям (рис. 16.4, г). Автоматически в качестве вентиляционной надо принять среднюю наклонную выработку, поддерживаемую в выработанном пространстве позади забоев лав.

5. Согласно третьему принципу предусматриваем подсвежающую струю воздуха, которую подаем по средней транспортной выработке — выемочному уклону (рис. 16.4, д).

Если бы транспорт угля производился по бортовым выработкам, то, естественно, свежую струю необходимо было бы подавать по средней выработке, исходящую — по бортовым, а подсвежающую — по обеим транспортным выработкам.

6. Чтобы решить вопрос, какую из выработок следует использовать повторно, надо знать направление отработки крыла. Положим, что крыло отрабатывается прямым ходом, то есть к границам шахтного поля. Изображаем выработанное пространство предыдущего столба и решаем, что для повторного использования следует принять бортовую выработку, примыкающую к массиву угля, а вторую бортовую выработку — погасить (рис. 16.4, е).

7. Производим привязку выемочных выработок к главным штрекам, решив при этом вопрос об их количестве. Если транспорт по главным штрекам конвейерный, то в принципе можно иметь один штрек. Однако при этом могут иметь место большие скорости движения воздуха и, как следствие, — значительное пылеобразование[34]. Поэтому, как правило, надо предусматривать два штрека — один, оборудованный конвейером, и второй — средствами вспомогательного транспорта, по которому на участок будет подаваться основное количество свежего воздуха.

При локомотивном транспорте угля также следует принимать два штрека с односторонним движением составов для лучшей организации маневровых работ под погрузочным пунктом. Подача основного количества воздуха должна осуществляться по штреку с движением порожняковых составов, что способствует снижению пылеобразования при транспортировании угля и уменьшает потери депрессии.

На основании изложенного принимаем два сдвоенных главных штрека (рис. 16.4, ж). Оба они располагаются на одной отметке, поэтому один из них должен проводиться полевым,[35] а второй — по пласту (или также полевым).

Для целей проветривания участка можно ограничиться одним главным вентиляционным штреком (ж), поскольку для проветривания при его проведении может быть использован свежий воздух из воздухоподающей бортовой наклонной выработки.

Если бы исходящая из лав поступала по бортовым выработкам, то для проветривания забоя штрека надо было бы проводить дополнительно второй параллельный штрек со свежей струей воздуха или же одну из наклонных выработок следующего столба проводить заблаговременно и по ней подавать свежий воздух с транспортного горизонта. В проектах строительства новых шахт чаще всего предусматривается проведение двух штреков.

8. Принимаем подготовку новых столбов проведением выемочных выработок узким забоем в направлении сверху вниз, учитывая наличие свежей струи на откаточном горизонте, а также высокую газоносность пласта. Одна из воздухоподающих выработок будет использоваться повторно.

Конечный вид спроектированной нами системы разработки изображен на рис. 16.4, з.

Другие варианты комбинированной системы разработки столбовой со сплошной для весьма газоносных пластов, базирующиеся на рассмотренных выше принципах, представлены на рис. 16.6 и 16.7.

На пластах со слабыми боковыми породами, особенно на больших глубинах, применение комбинированной системы разработки столбовой со сплошной может оказаться затруднительным из-за сложности поддержания пластовых штреков. В таких случаях возможно применение комбинированной системы сплошной со столбовой с проведением полевых штреков (рис. 16.8).

Представленный на рис. 16.8 вариант системы разработки обладает целым рядом крупных преимуществ:

― малые первоначальные затраты на подготовку участка;

Рисунок 16.6 – Варианты комбинированной системы разработки столбовой со сплошной для весьма газоносных пластов с выемкой по простиранию

Рисунок 16.7 – Варианты комбинированной системы разработки столбовой со сплошной для весьма газоносных пластов с выемкой по восстанию и падению

Продоложение рис. 16.7 – Варианты комбинированной системы разработки столбовой со сплошной для весьма газоносных пластов с выемкой по восстанию и падению

Рисунок 16.8 – Комбинированная система разработки сплошной
со столбовой с полевыми штреками

1 – вспомогательный бремсберг; 2 – панельный бремсберг; 3 – вентиляционный ходок;
4 – транспортный полевой ярусный штрек; 5 – вентиляционный полевой ярусный штрек; 6 – конвейерный ходок; 7, 8, 9 –соответственно конвейерный, вентиляционный и воздухоподающий пластовые штреки; 10 – воздухоподающая сбойка; 11 – фланговая воздухоподающая сбойка; 12 – вентиляционная дверь

― основные выработки пройдены по пустым породам в надработанных зонах;

― бывший транспортный штрек используется повторно в качестве вентиляционного и воздухоподающего для подсвежения исходящей струи;

― наличие свежей струи на вентиляционном горизонте позволяет осуществлять нормальное проветривание проводимых воздухоподающих выработок;

― обеспечивается высокая нагрузка на забой по газовому фактору; хотя она и несколько ниже, чем, например, у систем, приведенных на рис. 16.6, за счет того, что выделяющий при транспортировании угля по штреку газ поступает в лаву, однако она частично компенсируется наличием утечек воздуха через выработанное пространство лавы.

16.5. Выбор типоразмера крепи и площади поперечного сечения выемочных выработок[36]

Общие понятия

Основными видами затрат в каждой системе разработки являются расходы на проведение выемочных выработок и их охрану, которые зависят от площади поперечного сечения выработок, типа и параметров крепи. Поэтому при конструировании систем разработки и их последующем сравнении особое внимание следует уделять правильному выбору размеров выработки и типоразмеров крепи.

Минимальная площадь поперечного сечения выработки определяется габаритами транспортных средств и допустимыми зазорами между крепью и габаритами транспортных средств. По типовым сечениям горных выработок подбирают крепь, имеющую рассчитанную ширину. Выработка с принятой площадью поперечного сечения должна обеспечить пропуск необходимого количества воздуха на участок.

Если величина конструктивной податливости крепи D не менее величины смещения пород кровли U_кр, то во всех типах выработок работы по их перекреплению не производят. В этом случае обеспечивается возможность повторного использования выработки.

На глубоких горизонтах и в сложных горно-геологических условиях породы кровли могут смещаться в выработку на величину, превышающую податливость крепи, а величина пучения почвы превышать допустимые величины, обеспечивающие нормальную работу транспорта. В таких случаях рекомендуется применять различные мероприятия, уменьшающие величину смещения пород кровли и почвы, либо проводить выработку завышенным сечением с учетом ожидаемой величины смещения пород, как по высоте выработки, так и по ее ширине.

К мерам, обеспечивающим уменьшение величины смещения пород выработки, относятся:

― проведение ее вприсечку к выработанному пространству; расположение выработки в разгруженной от горного давления зоне;

― применение средств охраны, обладающих высокой несущей способностью и ограниченной податливостью (БЖБТ, литые полосы, плотная гидравлическая закладка, бутокостры и др.);

― применение крепей с повышенной несущей способностью; установка крепи с первоначальным высоким распором и др.

Рекомендуется следующая последовательность действий при выборе типа и параметров крепи в выемочных выработках:

― исходя из габаритов подвижного состава и требуемых Правилами безопасности зазоров, подбирается сечение выработки (минимально возможное);

― определяется расчетная прочность окружающих выработку пород и склонность почвы к пучению;

― принимается место расположения выработки и рациональный способ ее охраны;

― рассчитываются ожидаемые величины смещений пород кровли и почвы в выработке;

― оценивается возможность создания безремонтных условий эксплуатации выработки за счет применения крепей различных конструкций;

― при невозможности обеспечить безремонтные условия содержания выработки изменяется способ ее охраны или место расположения, повторно рассчитываются ожидаемые величины смещения боковых пород в новых условиях и подбираются крепь и ее параметры с расчетом обеспечения безремонтных условий эксплуатации;

― производится технико-экономическое сравнение всех вариантов расположения, охраны, типа и параметров крепи выработки и принимается наиболее выгодный из них.