Локальные способы предотвращения внезапных выбросов угля

Внезапные выбросы угля и газа

Автор: Бобровников В. Н.
Источник: Конспект лекций по предмету Безопасность жизнедеятельности ВГИ СПГГИ(ТУ) 2002–2003 учебный год, преподаватель Бобровников В. Н.

Внезапные выбросы – это быстропротекающий процесс разрушения горного массива, сопровождающийся отбросом угля и усиленным газовыделением. Обычно внезапные выбросы появляются при глубине разработки 200–300 метров, с ростом интенсивности с увеличением глубины разработки, мощности и угла падения пласта. Воркутинское месторождение считается опасным по выбросам при давлении в скважинах не менее 10 атмосфер.

Пласты подразделяются на:

выбрасоопасные;
угрожаемые;
не выбрасоопасные.

К выбрасоопасным относят пласты в пределах шахтного поля ниже вентштрека того горизонта, на котором имели место случаи выброса. При системе отработки длинными столбами по восстанию (падению), пласт считается опасным до 100 метров выше отметки места выброса.

Угрожаемый – пласт имеющий общую границу с опасным пластом по простиранию.

Согласно эмпирической теории выброса, внезапный выброс происходит в две фазы:

Подготовительная: под воздействием горного давления возникают колебания колебания напряжённого состояния горных пород и угольного пласта (т. к. породы и пласт состоят из пачек различной крепости). Чем менее однороден пласт, тем более скачкообразен переход от одного состояния к другому. Происходит нарушение равновесия между свободным газом и газом, находящемся в угле в связанном состоянии.
Собственно выброс. При полёте частиц раздробленного угля, из них также выделяется газ, что ведёт к дальнейшему дроблению, при чём образуется тончайшая пыль.

Признаки внезапного выброса:

уменьшение прочности угля;
выдавливание угля из забоя;
отскакивание кусков угля, шелушение забоя;
появление пылевого облака;
резкое повышение газовыделения;
усиление давления на крепь;
зажим буровых штанг;
выброс штыба и газа при бурении скважин;
гул в массиве.

Региональный. Основан на определении свойств керновых образцов угля. Определяется выбросоопасность месторождений и пластов на стадии геологоразведочных работ. Необходим для составления проектов новых шахт.
Локальный. Определяется выбросоопасность в пределах шахтного поля для установления критических глубин с которых происходят выбросы. Проводятся перед вскрытием пластов стволами, квершлагами и другими выработками.
Текущий. Для выявления выбросоопасных зон в очистных, подготовительных и нарезных выработках. Основан на изучении скорости газовыделения из шпуров, крепости угля в массиве, давления газа, сейсмоакустических свойств пласта.

В результате прогноза выделяются опасные и угрожаемые зоны, наносятся на планы работ, что позволяет разработать планы предупреждения, организовать контроль.

При подходе забоя к предполагаемому нарушению на расстояние не менее 25-и метров прогноз ведётся через каждые 4–5 метров. По максимальным значениям замера, по номограмме данного бассейна оценивается опасность пласта. Если забой вошёл в опасную зону, то необходимо применение специальных профилактических мер. При выходе из опасной зоны и отходе на 25 метров, прогноз прекращается. В лаве контрольные шпуры бурят через каждые 10 метров и зона считается опасной, если хотябы в одном из них скорость газовыделения достигает 5-и л/мин, а размер опасной зоны ограничивается соседними шпурами, где скорость менее 5-и л/мин.

Содержание спецпроекта на отработку выбросоопасных пластов:

прогноз выбросоопасности пластов;
предусмотрена опережающая отработка защитного пласта;
порядок вскрытия и отработки;
способы предотвращения выбросов и контроль их применения;
мероприятия обеспечения безопасности рабочих.

Требования к технологии ведения подготовительных и очистных работ:

должен быть составлен комплекс мер по борьбе с выбросами;
разработка незащищённых пластов – столбовыми системами;
предусматривает заложение полевых выработок не менее 5-и метров от пласта;
должны выделяться спец. смены для выполнения подготовительных работ;
при угле падения более 10-и градусов – выработки проводятся сверху вниз, с применением всех противовыбросовых мероприятий;
в защищённых зонах допускается проведение выработок снизу вверх, с соблюдением всех правил;
выемка угля – узкозахватными комбайнами;
управление кровлей – полным обрушением или полной закладкой (допускаются другие способы по спецю согласованию).

Способы борьбы с выбросами:

опережающая отработка защитных пластов (несклонных к выбросам);
межпластовая дегазация;
бурение опережающих скважин;
гидровымыв;
торпедирование;
выбуривание щелей.

Наиболее безопасной по внезапным выбросам являются системы разработки длинными столбами, которые обеспечивают:

заблаговременное обнаружение нарушений;
дегазация краевых частей лавы;
рассредоточие рабочих в очисных и подготовительных выработках;
при отработке пластов от границ число выбросов уменьшается.

Меры безопасности, при работах по борьбе с выбросами:

При гидровымыве. Выработка крепится и затягивается до груди забоя, допускается отставание не более шага крепи. Отставание вентиляционных труб не более пяти метров. Комбайн отгоняется на расстояние не менее 15-и метров. Перед началом гидровымыва все механизмы отключаются, устанавливается огораживающий щит. Во время гидровымыва запрещаются все работы, связанные с ним (подтягивание гаек, заглядывание в вымытые полости). Вымыв считается эффективным, если содержание метана в исходящей струе снизилось до уровня перед началом вымыва и соблюдены все проектные показатели. Перед началом вымыва горный мастер замеряет содержание метана через каждые 100 метров, проверяет наличие средств пожаротушения, работу резервного вентилятора.
Нагнетание. Допускаются только опытные рабочие; При нагнетании следить за состоянием забоя, нельзя находиться вблизи оного; гидрозатвор крепится к первой раме цепями; запрещены отклонения от паспорта.

ПБ при сотрясательном взрывании (цель сотрясательного взрывания – спровоцировать выбросы породы, угля, газа).

Взрывание ведётся согласно специальной инструкции, прилагаемой к паспорту БВР. В ней предусмотрено:

проверка всех вентиляторных устройств;
вывод людей на расстояние не менее 1000 метров;
проверка диспетчером (по телефону) постов;
предупреждение стволовых;
замер газа;
взрывание ведёт мастер-взрывник в присутствии лица надзора;
отключается электроэнергия в прилегающих выработках;
выработка обмывается на расстояние 20 метров;
устанавливаются завесы, заслоны;
забой осматривается не ранее, чем через 30 минут после взрыва.

Оказание первой помощи:

Немедленно эвакуировать пострадавшего с аварийного участка на свежую струю, используя все сподручные средства;
Доставив, немедленно известить диспетчера, оказать первую помощь. По возможности эту помощь следует оказать во время движения;
При отравлении газами – вынести на свежую струю, укладывают, делают искусственное дыхание.

Источник

Способы защиты рабочих от внезапных выбросов угля и метана

Внезапные выбросы больших объёмов метана и разрушенного угля из массива пласта в призабойное пространство горной выработки приводят к материальным и людским потерям. Для защиты рабочих во время проведения выработок применяют региональные и локальные способы предотвращения внезапных выбросов. Считается, что выбросы можно предотвратить, дегазируя пласт и уменьшив опорное горное давление на пласт впереди забоя. Региональный способ, заключающийся в подработке или надработке опасного пласта, применяют для частичной дегазации пласта за счёт увеличения его газопроницаемости и уменьшения в нём давления метана. Локальные способы должны дегазировать призабойную часть массива пласта за счёт бурения передовых скважин, гидровымывания длинных полостей или образования комбайном пазов в пласте впереди забоя выработки. Производственный опыт шахт Донбасса, Кузбасса и Воркутского месторождения показал, что эти способы, во-первых, не всегда обеспечивают защиту работающих во время выполнения рабочих процессов в забое, и, во-вторых, не обеспечивают их защиту при выполнении противовыбросных мероприятий. Существующие способы предотвращения газодинамических проявлений разработаны в соответствии с энергетической и энергетически-силовой теорией внезапных выбросов. Угольный пласт рассматривается как однородный материал, имеющий постоянные структурно-механические свойства: прочность, упругость, пластичность, трещиноватость. Предпосылки разрушения пласта при внезапном выбросе рассматриваются с позиций механики сплошных сред.

Не вызывает ни у кого сомнения зональность внезапных выбросов. Однако пока нет достоверных методов прогнозирования выбросоопасных зон в пределах опасного пласта. Поэтому противовыбросные мероприятия выполняются на неопасных участках пласта. В результате повышаются затраты и снижается скорость проведения горных выработок.

Предлагаемые принципы и способы защиты рабочих в забоях подготовительных выработок от внезапных выбросов газа и угля основаны на знании природных закономерностей формирования и физико-химической структуры локальных объёмов угольного вещества, в пределах которых возможны газодинамические проявления в результате техногенного образования пустот в массиве и перераспределения горного давления (рис. 1).

В соответствии с генетической теорией [1] местоположение выбросоопасных зон может быть установлено на этапе геологических изысканий по результатам анализа слоевых отложений пласта на участках начала его расщепления во время геотектонических ритмов. Выбросоопасные зоны представляют собой линзообразные локальные участки малозольного угля. Физико-химические процессы формирования угольного вещества на этих участках отличались от процессов, происходивших на соседних участках. По нашему мнению, выбросоопасная зона – это генетически обособленный участок угольного слоя или пласта, в границах которого угольное вещество имеет аномальную молекулярную структуру, высокую пористость и метаноёмкость. Анализ показал, что в Воркутском месторождении серии внезапных выбросов метана и разрушенного угля произошли в области расщепления пластов «Мощный», «Тройной» и «Пятый», в Кузбассе произошли при расщеплении пластов «Владимировский» и «Кемеровский», а в Восточном Донбассе – пласта К2Н «Лисий».

При разработке локальных способов защиты рабочих от внезапных выбросов необходимо учитывать зональность и неравномерность накопления газа в пласте. Эти скопления газа отделены один от другого менее метаноёмкими, но более прочными и зольными слоями угля. На микроуровне, по данным А.Т. Айруни [2], угольное вещество имеет ячеистую структуру, в которой межагрегатное и межмолекулярное пространство заполнено газом (рис.2).

Неравномерность газонакопления в угольном пласте была установлена во время проведения штреков на пласте «Мощный». Выбросоопасным является средний слой пласта мощностью 0.2–0.25 м. Верхний и нижний слои невыбросоопасные и более прочные. На метаноносных пластах Воркутского месторождения и Кузбасса при комбайновой проходке выработок большое распространение получил способ, основанный на вымывании впереди забоя серии веерообразно расположенных длинных полостей водяной струёй под большим давлением. При внезапных выбросах выделялся большой объём газа, который, судя по размерам полостей выброса, находился в пласте перед выбросом под большим давлением. Высота полостей в пласте, образовавшихся после выброса разрушенного угля, часто была меньше мощности пласта. Граница полостей выброса располагалась на расстоянии 6–7 м от забоя выработки. Иногда полости выброса были расположены в целике между вымытыми полостями, которые должны были дегазировать призабойный массив пласта.

На рис. 3 представлены результаты одного из замеров, которые показали, что впереди забоя имеется некоторая область дегазированного пласта. Во время вымывания полостей граница начала интенсивного выделения газа проходит по линии а-б-в-г-д-е-ж. После последующих вымываний полостей конфигурация линии и расстояние её до забоя сильно не отличаются. За этой областью при вымывании полостей происходят удары в массиве, микровыбросы, наблюдается повышенная интенсивность выделения газа. Анализ результатов измерений и расчётов показал, что количество выделяющегося метана из угольных слоёв в пласте неодинаково.

Удары и микровыбросы происходили в среднем через 1,8 м по длине полости. Если считать, что количество выделившегося метана из разрушаемого угля во время гидровымывания и работы комбайна примерно равно метаноёмкости этих слоёв, то можно констатировать, что метаноёмкость слоёв на каждом участке обработки пласта неодинакова. В выбросоопасной пачке метаноёмкость изменялась от 4.9 до 103.5 м3/т угля, а в невыбросоопасных слоях – от 1.6 до 39.3 м3/т угля. Внезапные выбросы происходили на пласте «Мощный» при метаноёмкости выбросоопасного слоя более 50 м3/т угля.

На основании экспериментальных данных можно представить усреднённую схему расположения локальных скоплений газа в выбросоопасном слое (рис. 4).

Степень опасности, создаваемой локальными скоплениями, зависит от их размеров и давления газа.

Основным принципом защиты рабочих во время проходческих работ в связи с неравномерным распространением метана в пласте является создание дегазированной и разрушенной защитной (буферной) полосы впереди забоя выработки. При веерном расположении вымываемых полостей между ними остаются целики, ширина которых увеличивается от забоя в сторону массива. В целиках между полостями изменяются напряжения. У забоя целик находится в условиях одноосного сжатия, а в конце полостей – в условиях объёмного сжатия. Соответственно изменяется и прочность целика на раздавливание. Под тяжестью вышележащих слоёв породы целик будет раздавлен и дегазирован на расстоянии Lр от забоя при напряжении s больше критической величины sкр (рис. 5).

В качестве критерия эффективности дегазации необходимо принимать неснижаемое опережение разрушенных целиков, которые остаются между вымытыми полостями или выбуренными скважинами. В результате теоретических расчётов определено, что ширина разрушенной полосы впереди забоя выработки равна 7.3 – 10 м в зависимости от прочности выбросоопасного пласта, длины и диаметра вымываемых полостей. Чем больше диаметр полостей, тем меньше будет ширина целиков. Тем легче будут разрушаться эти целики в результате горного давления и шире будет полоса разрушенного и дегазированного выбросоопасного пласта. Однако с увеличением диаметра вымываемой полости увеличивается объём одновременно разрушаемого угля, увеличивается интенсивность выделения и увеличивается опасность внезапного выброса. С учётом неоднородности распределения метана в пласте диаметр вымываемой полости должен быть 20–30 см.

Как показали замеры на пласте «Мощный», газ начинал выделяться в забой вновь вымываемой полости из целиков при расстоянии 1.8–2.0 м между центрами полостей предыдущей серии. Это соответствовало расстоянию от забоя 10–11 м. Подвигание забоя выработки не должно превышать ширины разрушенной полосы. В результате экспериментов и расчётов было установлено, что подвигание забоя не должно превышать 50–60% ширины разрушенной полосы (рис. 6). Таким образом, после каждого вымывания для повышения безопасности рабочих необходимо оставлять неснижаемое опережение разрушенной полосы не менее 40–50% от дегазированной защитной полосы.

В настоящее время в качестве показателя эффективности обработки пласта впереди выработки применяется критерий ВостНИИ, основанный на сравнении измеренного объёма выделившегося метана с объёмом, заключённого метана в пласте. Однако из-за отсутствия достоверных данных о природной метаноносности пласта и невозможности определения границ дегазированного пространства такое сравнение не может являться критерием обеспечения безопасных условий в выбросоопасной зоне.

Наиболее незащищёнными являются рабочие, выполняющие бурение или вымывание скважин впереди забоя в недегазированной зоне. При вскрытии локальных скоплений газа повышается интенсивность его выделения или происходят микровыбросы пыли и газа. Рабочие, привыкая к частым микровыбросам, не успевают уйти из забоя при мощных выбросах. На шахтах для защиты этих рабочих скорость бурения скважин и вымывания полостей в соответствии с «Временной инструкцией…» [3] не должна превышать 0.5 м/мин. Однако для контроля скорости нет технических средств, и рабочие выбросоопасную ситуацию определяют по стукам в массиве, зажатию штанги, повышению концентрации метана в забое. Получается, что, обеспечивая безопасность проходчиков, рабочие во время выполнения профилактических работ сами остаются без должной защиты.

Основным принципом защиты рабочих во время внедрения в газоносный массив пласта является их вывод из забоя на безопасное расстояние и выполнение всех операций при помощи автоматических манипуляторов с дистанционной или интерактивной системой управления. Гидровымывание полостей осуществляется специальной насадкой, которая одновременно служит рабочим органом и датчиком интенсивности выделения метана в забой полости [4]. Контроль выделения метана осуществляется в результате формирования вакуумной зоны, создаваемой эжекцией рабочей струи воды. Применение гидромониторной насадки с кольцевым рабочим отверстием обеспечивает непрерывный контроль давления метана в полости возле насадки и передачу соответствующего сигнала в любую точку вне забоя для визуального наблюдения и формирования сигнала управления на продолжение, замедление или полное прекращение операции гидровымывания. Предлагаемый способ контроля давления метана и дегазации пласта позволяет автоматизировать весь процесс вымывания передовых полостей и вывести людей из забоя на безопасное расстояние при работе в выбросоопасной зоне. В забоях выработки наиболее целесообразно применять автоматические манипуляторы с дистанционной или интерактивной системой управления (рис. 7).

Таким образом, основные элементы автоматизации гидровымывания передовых полостей – рабочий орган и датчик для управления манипулятором — разработаны и опробованы в производственных условиях. До разработки конструкции автоматического агрегата для гидровымывания полостей рекомендуется применять насадку с вакуумманометром. Это позволит во время нахождения рабочих в забое непрерывно контролировать газовыделение и предотвращать внезапные выбросы.

Выводы

В результате теоретических и экспериментальных исследований установлено, что основными принципами защиты рабочих в забоях подготовительных выработок в выбросоопасных зонах являются:

создание буферной полосы (подвигание забоя выработки производить в пределах неснижаемой разрушенной и дегазированной полосы);
непрерывный контроль интенсивности выделения метана из дегазируемого массива и регулирование подачи рабочего органа;
применение манипуляторов с дистанционной или интерактивной системой управления для автоматизации управления газовым состоянием угольного массива и вывод людей на безопасное расстояние во время выполнения профилактических мероприятий.

1. Колесниченко Е.А. Генетическая теория формирования и прогнозирования выбросоопасных зон в угольных пластах. – Уголь. 2000. № 9. – С. 51 – 53.

2. Айруни А.Т. Прогнозирование и предотвращение газодинамических явлений в угольных шахтах. М.: Наука, 1987. 310 с.

3. Временная инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля,

породы и газа. МУП СССР. М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1983. 236 с.

4. Колесниченко Е.А. Геологические условия формирования выбросоопасной зоны в угольных пластах и основные принципы предотвращения внезапных выбросов. – Горная промышленность, 2000, № 1. – С. 18 – 21.

Источник