Совершенствование технологии сооружения изоляционных перемычек для улучшения герметичности выработанных пространств

Метан занимает второе место после углекислого газа по эффективности поглощения теплового излучения Земли. Вклад метана в создание парникового эффекта составляет примерно 30% от величины, принятой для углекислого газа. С ростом содержания метана изменяются химические процессы в атмосфере, что может привести к ухудшению экологической ситуации на Земле. На угольных шахтах не решена проблема промышленного использования метана как энергоносителя, что позволило бы получать дополнительную энергию и существенно снизить объём метана, выбрасываемого в атмосферу. В результате этого при разработке угольных месторождений от 85 до 100% выделяющегося газа выбрасывается в атмосферу. Одним из основных источников газовыделения угольных шахт являются старые пространства ранее отработанных выемочных полей (СВП), имеющие в газовом балансе шахты долю достигающую 50%. Из-за больших объёмов СВП, плохой изоляции и как следствия больших количеств воздуха, проходящего через них, не удаётся достичь высоких концентраций метана. Из-за низких концентраций метана    дегазация СВП практически нигде не производиться, поэтому весь этот метан поступает о выработки и удаляется из шахты воздухом. Надёжная изоляция выработанных пространств – один из важнейших факторов, позволяющих решить данную проблему, снизив газовую нагрузку на вентиляционную систему и повысить уровень безопасности горных работ.

Для примера рассмотрим газовый баланс шахт ОАО «Воркутауголь», где самая высокая в России эффективность дегазации. Отсутствие метана на балансе предприятия приводит к тому, что дегазация рассматривается не как возможность максимально допустимой его добычи, а только как способ снижения газовыделения в горные выработки, обеспечивающий достижение необходимых нагрузок. Несмотря на то, что максимальная эффективность дегазации выемочных участков ОАО «Воркутауголь» достигает 70 - 80%, эффективность дегазации шахт в целом не превышает 40% и только 30% этого газа используется для различных нужд, что составляет приблизительно 12% от абсолютного газовыделения шахт. Остальной метан в количестве 88% выбрасывается в атмосферу.

Из данных, приведенных в табл. 1 видно, что дебит метана старых выработанных пространств весьма значителен, а эффективность их дегазации чрезвычайно мала. В этих условиях высокий процент извлекаемого метана из шахты определяется лишь высокоэффективной дегазацией выемочных участков.

Таблица 1.

Шахты	Газовыде ление, м3/мин	Эффективность дегазации, % (м3/мин)	Газовыделе ние СВП, м3/мин	Доля СВП   в газовом балансе шахты, %	Эффективность дегазации СВП, % ( м3/мин)
Центральная	122	32 (39)	61	50	7 (3.5)
Комсомольская	163	37 (60)	60	37	0  (0)
Северная	178	36 (64)	63	35	2 (0.7)
Заполярная	142	34 (48)	19	13	0  (0)
Южная	98	40 (39)	49	50	0  (0)
Аяч - Яга	82	31 (25)	32	39	5  (2)

Столь высокий удельный вес газовыделения старых выработанных пространств объясняется несколькими причинами:

• -    использование бесцеликовой системы отработки выемочных полей не позволяет в течение многих лет, до окончания отработки панели, блока или крыла, изолировать старые выработанные пространства, занимающие несколько квадратных километров, от выработанных пространств действующих выемочных участков;

• -    технология и материалы, предусмотренные отечественными нормативными документами для сооружения изолирующих перемычек, не позволяют в подавляющем большинстве случаев обеспечить необходимое качество перемычек;

• -    нормативные документы, регламентирующие вопросы вентиляции и дегазации, не уделяют проблеме снижения газовыделения из старых выработанных полей достаточного внимания.

Сооружение изоляционных перемычек с высоким сопротивлением в угольных шахтах чрезвычайно важная задача, т.к. это позволяет существенно снизить поступление воздуха в выработанные пространства и как следствие значительно снизить вероятность самовозгорания угля, а также повысить концентрацию метана в изолированных пространствах, обеспечив возможность управления газовыделением и получение дополнительных объёмов высококонцентрированного метана в дегазационной системе, для последующей его утилизации.

В настоящее время при возведении перемычек в угольных шахтах не учитываются многие факторы (трещинноватость окружающих пород, воздействие горного давления и т.д.), в следствие чего перемычки имеют низкое аэродинамическое сопротивление, со временем разрушаются и выполняют зачастую только ограждающую функцию, предотвращая доступ людей в изолируемое пространство.

Целью данной работы является усовершенствование конструкции и технологии возведения изоляционных перемычек для выполнения вышеизложенных задач.

Существующие технологии сооружения и материалы для изоляционных перемычек зачастую не обеспечивают получение конструкции с необходимым сопротивлением. По имеющейся информации наиболее качественные перемычки обладают сопротивлением от 5 до 50 kµ, что совершенно недостаточно. В качестве примера рассмотрим следующую ситуацию: газовыделение СВП составляет 8 м3/мин, депрессия воздействующая на перемычку 100 мм вод. ст. Для подключения дегазационного трубопровода концентрация метана в изолированном пространстве должна быть не менее 30%, значит общий дебит перемычки не должен превышать 25 м3/мин (0,41 м3/с). Произведя расчёты по формуле (1)

h=RQn (1)

где :

h – депрессия;

R – аэродинамическое сопротивление трещин и вообще каналов в толще горных пород или закладки, по которым просачиваются газы или воздух;

Q- дебит воздуха через эти последние в единицу времени (м3/с);

n- величина близкая к единице, т.к. режим прососа газов и воздуха через рыхлые, трещиноватые и вообще газопроницаемые тела, даже при самых высоких депрессиях, которые могут практически иметь место в рудничных условиях, близок к ламинарному.

Произведя необходимые расчёты, получаем минимальное сопротивление перемычки, при заданных условиях, которое должно составлять не менее 245 kµ, т.е. почти в пять раз больше чем лучшие образцы, сделанные по стандартной технологии. А если понадобится повышение концентрации метана в заперемыченном пространстве до 60%, что более предпочтительно для системы дегазации, то сопротивление перемычки должно быть не менее 480 kµ. Учитывая, что депрессии на перемычках могут достигать 450-500 мм вод. ст., то очевидно, что сопротивления перемычек должны достигать 3000 -4000 kµ.

Очевидно, что существующие технологии сооружения изоляционных перемычек не обеспечивают решение этой задачи. Это происходит по ряду причин:

• 1.    В соответствии с требованиями ПБ в угольных шахтах, чтобы обеспечить возможность проветривания тупика за счёт общешахтной депрессии, изоляционные перемычки сооружаются не далее 5 м от

• 2.    Конструкция перемычек не рассчитывается на воздействие горного давления и поэтому уже через некоторое время в теле перемычки появляются трещины. Зачастую для сооружения перемычек используются шлакоблоки или чураки, а толщина перемычки колеблется от 0,4 м до 1 м.

• 3.    Основной дебит происходит не через тело перемычки, по трещинам расположенным в окружающих породах, но, несмотря на это тампонаж боковых пород для снижения воздухопроницаемости в зоне сооружения перемычки не производится.

• 4.    Не предусмотрено также торкретирование периметра выработки для снижения воздухопроницаемости по обе стороны от перемычки.

• 5.    Вруб делается формально и ограничивается оборкой отслоившейся породы.

• 6.    По причине отсутствия в большинстве горных выработок возможности подачи сжатого воздуха, для производства вруба применяются БВР, что дополнительно увеличивает зону трещиноватости;

сопряжений выработок, т.е. в зонах с повышенной трещиноватостью горных пород;

Для повышения сопротивления изолирующих перемычек предлагается использовать технологию, представленную ниже. На стадии проектирования отработки запасов необходимо намечать места для изолирующих перемычек. Место сооружения перемычки необходимо выбирать заранее в наиболее устойчивой части выработок.

В качестве примера рассмотрим горную выработку трапециевидной формы с площадью поперечного сечения 13,5 м2 (рис. 1).

LOOO

Рис. 1 Трапециевидное сечение горной выработки S=13,5 м2

Рассмотрим вариант сооружения изоляционной перемычки на расстоянии 20 м от сопряжения, где трещиноватость меньше чем в зоне сопряжения. Для исключения образования тупика более 5 м, предлагается осуществлять сооружение т.н. фальшперемычек, в теле которых предусматривается два герметично закрываемых проёма. При необходимости осмотра основной перемычки они будут использоваться для проветривания и доступа в межперемычное пространство (рис. 2).

Рис. 2 Схема сооружения изоляционной и фальшперемычки в плане.

Перед возведением изолирующей перемычки производится поэтапная обработка 10-метровой зоны по обе стороны от неё; после закрепления выработки анкерной крепью извлекается старая крепь, а вся зона, за исключением места возведения перемычки, торкретируется составом «Structurite WS» (рис. 3).

Зона установки и зол up цющ ей п ере мы чки

Зона анкеровки и торкретирования

Существующая крепь .горной выработки .

Рис. 3 Схема расположения изоляционной перемычки в плане

Длина анкеров и шаг, а также толщина набрызгбетона зависит от конкретных горно-геологических условий. В данном случае была принята анкеровка с шагом 500 мм и толщина нанесения материала Structurite WS– 100 мм (рис. 4).

Рис. 4. Схема торкретирования и анкерного крепления горной выработки.

Описание материала Structurite WS

Structurite WS – однокомпонентный состав представляющий собой смесь портландцементов, модифицирующих добавок отобранных инертных заполнителей; содержит полипропиленовую фибру.

При смешивании с водой образует обладающую высокими эксплуатационными свойствами смесь для набрызга мокрым способом; после схватывания становится бетонно-серого цвета.

Достоинства:

• 1.    хорошая адгезия;

• 2.    инертные заполнители;

• 3.    не содержит хлоридов;

• 4.    постоянное содержание воды.

Простота в работе и экономичность:

• 1.    однокомпонентный, смешивается с обычной водой;

• 2.    низкая степень отскока;

• 3.    после нанесения можно заглаживать мастерком для получения гладкой поверхности;

• 4.    предварительно расфасован, что обеспечивает стабильность качества.

Безопасность для окружающей среды:

• 1.    на основе цемента;

• 2.    не содержит растворителей.

Для повышения герметичности вмещающих пород в месте установки перемычки по периметру мною предлагается сделать вруб (без применения БВР) на глубину не менее 1 м, пробурить шпуры диаметром 18 мм, длиной 2 м с, шагом 500 мм и в них закачивають под давлением двухкомпонентный состав на основе акриловых смол Gelacryl Superflex, с примерным расходом 100 л на 1 шпур, который за счёт своих свойств герметизирует существующие трещины в породном массиве (рис. 5).

Граница горной         зона Вруба              Зона герметизации

Рис. 5. Схема герметизации горной выработки в зоне вруба.

Описание материала Gelacryl Superflex

Gelacryl Superflex представляет собой гидрофильную акриловую смолу, состоящую из 2-х компонентов: собственно смолы и катализатора, которая инъектируется двухпоршневым насосом в пропорции 1:1. После полимеризации образуется упругий высокоэластичный гель. Благодаря исключительно низкой вязкости и низкому поверхностному натяжению материал проникает в трещины не хуже, чем вода.

Смола:      Gelacryl Superflex

Катализатор: TE 300

Инициатор:  AP 200

Замедлитель: KF 500

Достоинства:

• 1.    Низкая вязкость: способен проникать в трещины с раскрытием 0,1 мм.

• 2.    Высокая степень расширения при последующем контакте с водой: до 67%.

• 3.    Высокая устойчивость к воздействию большинства кислот, щелочей, микроорганизмов.

• 4.    Температура применения от +5 до +70 ⁰С.

• 5.    Нетоксичная полиакрилатная смола, не содержит акриламид.

Конструкция перемычки должна рассчитываться с учётом воздействия горного давления. По нашим расчётам это может составлять 2-2,5 м, при изготовлении её из фосфогипса. Наружную поверхность перемычки и места контакта с породным массивом предлагается обработать материалом Structurite WS. Так же через тело перемычки в изолированное пространство вводится 2 трубопровода: для водоотлива и для отбора проб и измерения депрессии, которые выводятся через фальшперемычку (рис. 6).

.♦^м^.

жЙЙхх

Трубопровод для водоотлива

Трубопровод для отбора проб и для измерения ,депрессии за изолирующей перемычкой _______

Зона остановки изолирующей перемычки

Зона герметизации материалом Gelacry! Super flex

Зона вруба i не менее 'м!

Граница горной ____ выработки

Рис. 6. Схема установки изолирующей перемычки.

Для оперативного контроля за состоянием газовой обстановки в заперемыченном пространстве в тело основной перемычки должны быть установлены пробоотборная и водоотливная трубы, которые выводятся через фальшперемычку. В теле фальшперемычки кроме этого устанавливается пробоотборная труба для контроля за состоянием газовой обстановки в зоне между основной изолирующей и фальшперемычкой (рис. 7).

Трубопровод для водоотлива

Люк для доступа лк за фальшперемычку

Граница горной ____ выработки

Трубопровод для отбора пробы для измерения .депрессии за фальшперемычкой _____________

Зона установки фальшперемычки

Трубопровод для отбора проби для измерения депрессии за изолирующей перемычкой ______

Люк для проветривания пространства за фальшперемычкой _______________

Рис. 7. Схема установки фальшперемычки

Заключение

Поскольку газовыделение СВП действующих шахт удаляемое воздухом достигает 50% и даже после закрытия шахт выделение газа из СВП продолжается в больших объёмах годами, применение представленной конструкции и технологии возведения изоляционных перемычек позволит значительно повысить эффективность дегазации шахт, уменьшит газовую нагрузку на вентиляционную систему, снизит себестоимость добычи угля и уменьшит выбросы метана в атмосферу.

По моему мнению предлагаемая технология сооружения изоляционных перемычек также будет весьма полезна для изоляции выработанных пространств на шахтах отрабатывающих пласты склонные к самовозгоранию, где избыточные количества воздуха, проходящие через выработанные пространства, являются основной причиной возгораний.