О полезном влиянии утечек воздуха на распределение метана в выработанном пространстве

Проветривание является основным средством создания нормальных атмосферных условий в шахтах, в значительной мере содействующим повышению производительности труда горнорабочих.

Роль вентиляции возрастает с увеличением производственной мощности шахт и переходом работ на глубокие горизонты, так как при этом повышается газоносность месторождений, растет число пластов, склонных к внезапным выбросам угля и газа, повышается температура горных пород, возрастает интенсивность выделения пыли, ухудшаются климатические условия в горных выработках. В связи с этим в шахты необходимо подавать большие количества воздуха при значительных напорах, что вызывает увеличение его потерь. Поэтому и теоретическое, и практическое решение вопросов борьбы с утечками воздуха имеет важное значение при проектировании и осуществлении проветривания шахт. Изучение утечек воздуха в шахте представляет собой трудоемкую и сложную задачу, поставленную академиком А.А. Скочинским и созданными им научно исследовательскими институтами, разработку которой продолжил К.З. Ушаков.

При движении воздуха по горным выработкам некоторая часть его теряется, в виде утечек. К утечкам воздуха в шахтах относятся все потери воздуха (переходящего со свежей струи на испорченную), которые происходят по пути его движения от поверхности до очистных и подготовительных забоев. Величина утечек зависит от следующих факторов:

• •   количества воздуха, поступающего в шахту;

• •   производственной мощности шахты;

• •    газообильности шахты, определяющей в основном необходимое количество воздуха;

• •    глубины ведения работ.

Влияние других возможных факторов еще не исследовано в требуемой мере, что мешает говорить об их значительности.

Различают утечки местные и непрерывно распределенные. К первым относятся утечки в околоствольном дворе и через вентиляционные сооружения (перемычки, вентиляционные двери, шлюзы, кроссинги, надшахтные здания и т.п.), ко вторым — утечки через выработанное пространство участка, бутовые полосы, ограждающие горные выработки и параллельные выработки. Учесть влияние утечки воздуха через какое-либо сооружение на обеспеченность воздухом очистных забоев или увеличение сечений выработок простым математическим аппаратом невозможно – степень такого влияния зависит от места утечки в вентиляционной системе.

Величина утечек через выработанное пространство участка зависит от мощности разрабатываемого пласта, физико-механических свойств боковых пород, обводненности месторождения, способа управления горным давлением, состояния воздухопроводящих выработок, величины общешахтной депрессии и т.п. Считается, что наиболее интенсивные утечки воздуха через выработанное пространство происходят на расстоянии 100 – 200 м от лавы.

При расчете количества утечек воздуха через выработанное пространство предполагается, что плотность обрушенных пород по восстанию одинакова, а аэродинамическое сопротивление его изменяется пропорционально длине лавы.

Пористость выработанного пространства вдоль штреков неодинакова и зависит от свойств обрушаемых пород и давления вышележащих породных масс.

Выработанное пространство по аэродинамическим свойствам можно разделить на три зоны:

• •    зона свежеобрушенных и недостаточно уплотненных пород на расстоянии до 30 – 100 м от лавы; в этой зоне наблюдаются максимальные утечки воздуха через выработанное пространство;

• •    зона пород, уплотненных давлением прогибающейся или обрушивающейся кровли, распространяется на расстояние до 500 – 700 м от лавы; в ней на единицу длины утечки воздуха сравнительно небольшие;

• •    зона сдавленных пород располагается на расстоянии более 700 м, величина свободного объема в ней очень мала и утечки воздуха почти отсутствуют.

Выработанное пространство является не только местом утечки воздуха, но и коллектором большого скопления метана, который при определенных условиях может вызвать быстрое загазирование рабочего пространства и быть причиной взрывов. Правильный расчет количества утечек воздуха на газообильных шахтах имеет большое значение.

Для обеспечения взрывобезопасности необходимо совершенствовать способ прогнозирования дебита метана и расчёт необходимого расхода воздуха. Дебит метана зависит от многих факторов, но основным является метаноносность источников его выделения. Недостоверные и заниженные данные о дебите метана могут приводить к ошибочному определению необходимого расхода воздуха, поэтому при расчете стоит учитывать тот фактор, что природная метаноносность в пласте в пределах шахтного поля или выемочного столба неоднородна.

Для прогнозирования изменения метаноносности недостаточно нескольких проб, а нужно знать фациально-геотектонические условия торфонакопления и физико-химические условия углеобразования на разрабатываемом участке пласта. На рис.1 приведены результаты определения метаноносности угля в пласте «Мощном» Воркутского месторождения при проведении подготовительной выработки. На рис. 1б показано изменение метаноносности угля по восстанию выемочного столба. При подработке этих участков пласта в выработанное пространство будет поступать метан также неравномерно [1].

а) д. м3/т

Рис. 1 Изменение метаноносности 1 т угля по штреку 1221-С, где сплошная линия в выбросоопасном слое; пунктирная линия - в прочных пачках

а) на прямолинейном участке штрека; б) после первого поворота штрека

От величины утечек зависит степень использования воздуха, подаваемого в шахты. Из-за утечек имеют место случаи, когда мощности установленных вентиляторов не соответствуют действительных потребностям шахт. Не говоря уже об экономической стороне вопроса. Установлено, что непроизводственные затраты средств на электроэнергию в год, вызванные только утечками воздуха, исчисляются тысячами рублей. Кроме того, утечки воздуха через выработанное пространство и трещины в полезном ископаемом способствуют его самовозгоранию.

Однако еще в 1968 году А.Ф. Милетич высказывал идею, что утечки воздуха через вентиляционные двери могут быть полезными в том случае, если они способствуют проветриванию расположенных за ним выработок. Исходя из этого, имеет смысл более глубокое исследование утечек воздуха. Например, заслуживает изучения вопрос, нет ли возможности применить утечки для создания равномерной концентрации метана в выработанном пространстве.

Исследования, проведенные на 32 пластах пологого, наклонного и крутого падения шахт Донбасса, при различных способах управления кровлей показали, что режим движения утечек через выработанное пространство не является постоянным. Считается, что вблизи лавы он турбулентный, а на расстоянии 100 – 200 м от лавы он постепенно переходит в ламинарный. Таким образом, из-за неравномерности распределения утечек по выработанному пространству, а так же из-за неравномерного распределения метаноносности в пласте, определение мест скоплений опасных концентраций является весьма сложной задачей. Можно предположить, что использование устройства, генерирующего импульсы давления (пульсатор), распложенного вблизи выработанного пространства, позволит создать в нем управляемый массоперенос для перемешивания его с метаном с целью управления концентрацией газа.