USD 76.4667

-0.61

EUR 90.4142

-0.94

BRENT 41.64

+0.05

AИ-92 43.4

-0.01

AИ-95 47.26

-0.02

AИ-98 53.06

-0.04

ДТ 47.74

+0.06

9 мин
986
0

Технология управления состоянием горного массива

Отработка угольных месторождений ведется в сложных условиях, что предопределяет новые подходы к созданию многофункциональных систем безопасности на угольных шахтах. Системы должны обеспечивать предотвращение опасности.

Технология управления состоянием горного массива

При выявлении опасных зон системой мониторинга горного массива необходимо предусмотреть алгоритм действий, предупреждающих развитие опасных событий, который включает в себя идентификацию опасной зоны в части возможных рисков (горный удар, внезапный выброс, повышенное горное давление, мелкоамплитудное геологическое нарушение, выклинивание угольного пласта и др.).

Современные угольные шахты оснащены высокопроизводительной горной техникой, для безопасной и эффективной работы которой необходимо создавать условия, позволяющие достигать высоких нагрузок на очистные забои. Это обстоятельство предопределяет необходимость сокращения комплекса локальных мер прогноза и предупреждения динамических и газодинамических явлений, применяемых из очистных и проходческих забоев, в пользу более широкого применения комплекса региональных мероприятий. Например, приведение горного массива в безопасное состояние с применением региональных (дистанционных) способов, при постоянном мониторинге напряженно-деформированного состояния массива многофункциональной системой безопасности, с последующей интерпретацией результатов разгружающего воздействия на массив и выдачей разрешения на возобновление горных работ.

Данное направление является наиболее перспективным, поскольку исключает присутствие людей в опасных зонах, сопряженных с проявлениями горного давления в различных динамических формах в процессе выполнения локальных (прогнозных, профилактических) мероприятий и не ограничивает технические возможности высокопроизводительной горной техники. В настоящее время имеются активные технологии управления напряженно-деформированным состоянием углепородного массива, апробированными и наиболее эффективными из них (в том числе и их сочетание) являются:

- региональное увлажнение через скважины, пробуренные из выработок смежных пластов в свите с низконапорным и высоконапорным режимами нагнетания воды, поочередным подключением скважин в кусте поднагнетания воды и к дегазационному трубопроводу (или истечение метана в смесительную камеру);

- региональное увлажнение через скважины, пробуренные из выработок смежных пластов в свите с низконапорным режимом нагнетания воды и последующим гидроразрывом;

- гидромикроторпедирование вмещающих пород с гидрообработкой в различных режимах и последующим гидроразрывом;

- гидромикроторпедирование угольных пропластков в междупластьях с последующей гидрообработкой в различных режимах и гидроразрывом;

- увлажнение через скважины, пробуренные с поверхности и последующим гидроразрывом вмещающих пород;

- управление состоянием горного массива через скважины, пробуренные с поверхности (например, гидроразрыв для снятия напряжений в области высоких напряжений, применяемый ранее на подземных рудниках) и другие.

Положительный опыт управления напряженно-деформированным состоянием горных пород с применением технологии активного воздействия на угольные пласты, накопленный на шахтах Печорского угольного бассейна в 1980–1990-е годы, может стать полезным руководством для планирования соответствующих работ на других объектах.

На шахтах Печорского угольного бассейна использовали активные технологии управления напряженно-деформированным состоянием углепородного массива, которые применяются в качестве мероприятий по предупреждению горных ударов и внезапных выбросов, а также при разупрочнении труднообрушаемой кровли, но переориентированные в целях снижения концентрации напряжений в зонах повышенного горного давления (далее – зона ПГД) и предварительной дегазации угольного массива. Особенно этот подход был актуален при отработке свит угольных пластов, опасных по горным ударам и внезапным выбросам угля (породы) и газа, поскольку такие участки отрабатываются в зонах незащищенных надработкой или подработкой.

Отрабатываемые свиты угольных пластов на шахтах Воркутского месторождения классифицируются как опасные по горным ударам и внезапным выбросам, поэтому при выборе способов воздействия на углепородный массив руководствовались минимальным применением взрывных работ и максимальным использованием гидродинамического воздействия для разгрузки массива.

При формировании первых подходов к применению технологий активного воздействия на угольные пласты была применена безопасная для газовых шахт технология регионального увлажнения с параметрами, рассчитанными в соответствии с Инструкцией по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам.

Поскольку торпедирование только песчаников основной кровли не приводило к снижению концентрации напряжений в зоне повышенного горного давления, было принято решение о расположении торпедозарядов в угольных прослойках междупластья, что и явилось одним из основных параметров, определяющих эффективность управления состоянием массива в зонах повышенного горного давления с применением технологии гидромикроторпедирования.

Так, до проведения мероприятий по управлению состоянием массива в выемочном поле 234-з пласта Пятого шахты «Юр-Шор» в зоне ПГД от вышележащего пласта Мощного прогнозом степени удароопасности по выходу буровой мелочи были установлены I и II категории по Инструкции, то есть в зоне повышенного горного давления пласт Пятый из угрожаемого перешел в категорию опасного по горным ударам.

В целях безопасной отработки лавы 234-з пласта Пятого были приняты двухсторонняя и односторонняя схемы расположения скважин, пробуренных из выемочных выработок.

 Рис. 1 Диаграмма гидроимпульсного воздействия.jpg

Рис.1. Диаграмма гидроимпульсного воздействия Р, МПа

 

На рисунке 1 приведена диаграмма гидроимпульсного воздействия, взрывогидрообработки и последующей гидрообработки, в соответствии с которой применялись следующие параметры воздействия на углепородный массив:

1. Предварительная низконапорная гидрообработка от пожарно-оросительного трубопровода при давлении до 1,5 МПа;

2. Гидроимпульсное воздействие с импульсным (ступенчатым) нагнетанием воды по 0,2–0,4 ρgH и последующим внезапным сбросом давления на 1,0 МПа, с временными промежутками (15–20 мин.) между последующими сериями нагнетаний.

3. Взрывогидродинамическое воздействие по технологии ГМТ;

4. Последующая гидрообработка при давлениях (0,2–0,4) ρgH, исключающих прорыв воды в соседние скважины.

Рис. 2 Диаграмма режима гидроразрыва.jpg 

Рис. 2 Диаграмма режима гидроразрыва Р, МПа

 

На рисунке 2 приведена диаграмма режимов гидроразрыва углепородного массива при давлениях 0,5–1,1 ρgH, в некоторых случаях давление гидроразрыва происходило при давлениях 21,0–25,0 МПа (1,4–1,6 ρgH). Объем закачиваемой воды в скважины до производства гидроразрыва в среднем составлял в 8,0 м³.

На приведенных диаграммах не указано время гидрообработки массива, так как из-за заполнения скважин углисто-аргиллитовой пластической массой давление в скважинах возрастало и появлялась угроза прорыва воды в соседние скважины. С целью исключения прорывов воды скважины прочищались – по два-три раза – буровым снарядом при помощи бурового станка СБГ-1М, затем продолжалась гидрообработка массива до закачивания расчетного количества воды.

 

Результаты применения активных технологий управления напряженно-деформированным состоянием углепородного в зоне ПГД:

- концентрация напряжений снизилась в 1,6 раза;

- массив горных пород приведен в неудароопасное состояние;

- исключены вывалы пород непосредственной кровли;

- исключен производственный травматизм по причине обрушения пород;

- до 0,5% снижена концентрация метана в исходящей струе выемочного участка;

- в 2,4 раза возросла суточная добыча очистного забоя;

- вовлечены в отработку около 400 тыс. тонн дополнительных запасов угля;

- исключены затраты по демонтажу-монтажу очистного механизированного комплекса до и после зоны ПГД, соответственно.

 

 

Предварительная дегазация с применением технологий активного воздействия на угольные пласты

 

 

При формировании первых подходов к предварительной дегазации угольного пласта «Мощный» была применена безопасная для газовых шахт технология регионального увлажнения с параметрами, рассчитанными в соответствии с действующими нормативными документами.

Применение технологии активного воздействия на угольный пласт было вызвано необходимостью своевременного и безопасного проведения конвейерного штрека 334-з с переходом границы особовыбросоопасной зоны приуроченной к линии расслоения пласта «Мощный», опасного по внезапным выбросам и горным ударам, в западном крыле шахты «Юр-Шор» производственного объединения «Воркутауголь».

Природная газоносность пласта «Мощный» составляла в среднем 48м3/т, средняя мощность пласта m=3,9м, угол падения от 7 до 13, гипсометрия – слабопологоволнистая.

Конвейерный штрек 334-з по пласту «Мощный» проводился сечением в свету 12,8м2. Проветривание забоя осуществлялось по двум вентиляционным трубопроводам диаметром 0,8 м двумя рабочими центробежными вентиляторами местного проветривания (ВМП) ВМЦГ-7 и ВМЦ-8. В качестве резервных ВМП применялись два вентилятора ВМЦ-8. Минимальная скорость движения воздуха превышала нормируемые 0,5м/с. Тем не менее, каждую рабочую смену происходили случаи загазирований забоя метаном до опасных концентраций (2,0% и более), что ставило под угрозу безопасность работающих и своевременную подготовку нового выемочного столба 334-з пласта «Мощный».

Поскольку пласт «Мощный» отрабатывался как одиночный, с применением предварительного регионального увлажнения из конвейерных штреков 234-з и 334-з нижележащего пласта «Пятый», было принято решение произвести первоочередное бурение скважин в районе линии расслоения пласта «Мощный» по восстанию и по падению из конвейерного штрека 334-з пласта «Мощный» (Рис. 3). 

Рис. 3. Схема регионального увлажнения при пересечении конвейерным штреком 334-з пласта «Мощный» особовыбросоопасной зоны.png

Рис. 3. Схема регионального увлажнения при пересечении конвейерным штреком 334-з пласта «Мощный» особовыбросоопасной зоны

 

Бурение кустов скважин осуществлялось станком СБГ-1М из буровых камер, пройденных по падению и восстанию. Расстояние между скважинами С=2Rэф. составляло в среднем 30м, расстояние между скважиной и сечением конвейерного штрека 334-з пласта «Мощный» в черне - не менее 1,5 Rэф., угол наклона скважин к горизонту варьировал от 5º до 75º, длина скважин – от 39 м до 112 м.

Схема расположения скважин регионального увлажнения пробуренных из конвейерного штрека 334-з пласта Пятого на пласт «Мощный», на разрезе вкрест простирания, приведена на Рис. 4.


Рис. 4. Схема расположения скважин регионального увлажнения пробуренных из конвейерного штрека 334-з пласта Пятого на пласт «Мощный»

Скважины подключались к пожарно-оросительному трубопроводу и увлажнение пласта «Мощный» осуществлялось в низконапорном режиме при давлении до 1,5 МПа. Основная цель заключалась в дегазации участка пласта «Мощный» с целью предупреждения загазирований и внезапных выбросов в забое конвейерного штрека 334-з пласта «Мощный».

Для реализации поставленной цели нагнетание воды в скважины  осуществлялось поочередно высоконапорной насосной установкой УНГ с темпом нагнетания 10-15 л/мин. Выпуск исходящей из скважин метановоздушной смеси осуществлялся в смесительные камеры, оборудованные на сопряжениях с буровыми камерами.

Окончанием работ по предварительной дегазации участка пласта «Мощный» явилось снижение концентрации метана на выходе из смесительных камер с 2,0% до 0,5 % в конвейерном штреке 334-з нижележащего пласта «Пятый».

По прошествии месяца, комплекс работ по дегазации был завершен и возобновилась проходка конвейерного штрека 334-з пласта «Мощный» без загазирований, проветривание осуществлялось одним рабочим вентилятором местного проветривания ВМЦ-8.

Приведенный опыт показывает, что способы управления состоянием массива, предназначенные для борьбы с горными ударами, могут успешно применяться и для предварительной дегазации угольного массива.

Действующими нормативными требованиями в области промышленной безопасности предусмотрен порядок внедрения новых методов прогноза или предотвращения динамических явлений, поэтому данный опыт может оказать методическую помощь научным и проектным организациям, угольным компаниям в вопросах безопасной отработки угольных пластов опасных по газодинамическим явлениям.

 2.jpg

Литература:

1. Федеральные нормы и правила «Правила безопасности в

угольных шахтах» (п. 22).

2. Вернигор В. М. О проблеме управления напряженно-дефор-

мированным состоянием горного массива при подземной раз-

работке свиты угольных пластов на глубоких горизонтах шахт

Воркутского месторождения: Народное хозяйство Республики

Коми. № 1–2, т. 4, 1995. – С. 91–95.

 3. Вернигор В. М., Субботин А. И., Гусельников Л. М.,

Осипов А.Н. Повышение безопасности горных работ в

зонах ПГД: Безопасность труда в промышленности. № 11,

1997. – С. 25–27.

4. Вернигор В. М., Кульчицкий В. Б., Кульчицкий С. В.

Предупреждение горных ударов и внезапных выбросов в

горнодобывающей промышленности: Горная промышленность.

№ 4, 2006. – С. 4–9.

5. Вернигор В. М., Шабаров А. Н., Кротов Н. В.,

В. В. Варшавский. Принципы построения и реализации много-

функциональных систем безопасности в угольных шахтах

по обеспечению контроля напряженно-деформированного

состояния горного массива. ISSN 0135-3500. Записки Горного

института. Санкт-Петербург, 2014. – С. 141–144.

6. Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам, 1988.                        3.  Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах. М.: Недра, 1986.

7. Руководство по безопасности «Рекомендации по безопасному ведению горных работ на склонных к динамическим явлениям угольных пластах» (приложение 5). Утверждено приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору РФ от 21.08.2017 г. № 327.



Статья «Технология управления состоянием горного массива» опубликована в журнале «Neftegaz.RU» (№10, 2019)

Авторы:
Читайте также