«ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ОТРАБОТКИ СВИТ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ, СКЛОННЫХ К САМОВОЗГОРАНИЮ ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

На правах рукописи

ТЮРНИН Владимир Алексеевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ

ОТРАБОТКИ СВИТ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ,

СКЛОННЫХ К САМОВОЗГОРАНИЮ

Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная, открытая и строительная) Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель – доктор технических наук, доцент Казанин Олег Иванович Санкт-Петербург -

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Анализ горно-геологических и горнотехнических условий отработки угольных пластов на шахтах Кузбасса.

1.2 Анализ технологических схем отработки свит пластов на шахтах................ 1.3 Анализ аварий на шахтах, связанных с самовозгоранием угля

1.4 Анализ научных исследований и нормативной базы по отработке свит пластов, склонных к самовозгоранию

1.5 Выводы по главе 1

2 НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГАЗОВОГО РЕЖИМА ВЫЕМОЧНЫХ

УЧАСТКОВ ПРИ ИНТЕНСИВНОЙ ОТРАБОТКЕ СВИТ ПОЛОГИХ

ПЛАСТОВ

2.1 Общие положения

2.2 Исследование газового режима при отработке свиты пластов на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс»

2.3 Исследование газового режима при отработке свиты пластов на шахте Алардинская ОАО «ОУК Южкузбассуголь»

2.4 Выводы по главе 2

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ОТРАБОТКИ

СВИТ ПЛАСТОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ ЗОН ТРЕЩИНОВАТОСТИ

МАССИВА

3.1 Общие положения

3.2 Исследование взаимовлияния сближенных пластов на формирование аэродинамической связи верхнего пласта в свите с земной поверхностью ........ 3.3 Исследование взаимовлияния параметров подготовки выемочных участков на формирование аэродинамической связи между выработанными пространствами смежных пластов и дневной поверхностью

3.4 Исследование влияния расположения межлавных целиков при отработке сближенных пластов склонных к самовозгоранию на формирование зон повышенной трещиноватости

3.5 Выводы по главе 3

4 ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ПРИ

ОТРАБОТКЕ СВИТ ПОЛОГИХ ПЛАСТОВ, СКЛОННЫХ К

САМОВОЗГОРАНИЮ

4.1 Обоснование очередности отработки пластов в свите

4.2 Обоснование параметров подготовки выемочных участков.

4.3 Обоснование взаимного расположения целиков на сближенных пластах.. 4.4 Экономическая оценка разработанных рекомендаций

4.5 Выводы по главе 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Повышение уровня концентрации горных работ и рост производительности очистных забоев на угольных шахтах России сопровождаются недопустимо высоким уровнем аварийности и травматизма, более чем на порядок превышающим соответствующие показатели шахт мирового и европейского уровня. В условиях современных угольных шахт Кузбасса при отработке свит пологих пластов несовершенство применяемых технологических схем, способов управления газовыделением и недостаточный учет взаимовлияния сближенных пластов в ряде случаев приводит к неуправляемым притокам воздуха в выработанные пространства отрабатываемых пластов и формированию там очагов самовозгорания угля. В свою очередь, очаг самовозгорания может явиться источником воспламенения и взрыва метана, что неоднократно имело место на шахтах Кузбасса за последнее десятилетие.

Количество аварий на шахтах, связанные с самовозгоранием угля составляют 59,9% от общего числа. Большая часть подобных аварий приходится на шахты в Кузнецком бассейне (75,5%). Несмотря на тенденцию ежегодного снижения частоты возникновения подобных аварий, возрастает степень тяжести аварий, в том числе и смертельный травматизм.

Решению задач обеспечения эффективной разработки свит пластов посвящены работы А.А. Борисова, Я.А. Бича, В.В. Зубкова, В.П. Зубова, М.А.

Иофиса, О.В. Ковалева, С.Т. Кузнецова, А.М. Линькова, И.М. Петухова, А.Н.

Шабарова и др. Отработка пластов, склонных к самовозгоранию, рассмотрена в работах Л.П. Белавенцева, Ю.Ф. Булгакова, B.C. Веселовского, Е.И. Глузберга, В.В. Егошина, В.Г. Игишева, В.К. Костенко, Н.И. Линденау, В.Н. Маевской, В.Б.

Попова, В.А. Портолы, А.А. Скочинского и др. В то же время авторы не рассматривали в комплексе совокупное влияние сближенности и эндогенной пожароопасности при отработке свит пластов. Действующие отраслевые нормативные документы отдельно рассматривают вопросы отработки свит пластов и отработку пластов, склонных к самовозгоранию. Сближенность пластов отмечена как один из факторов, влияющих на эндогенную пожароопасность, но без указания степени влияния и зависимости опасности самовозгорания от параметров технологических схем отработки пластов.

Поскольку более половины шахт Кузбасса отрабатывают свиты пластов, склонных к самовозгоранию, вопросы обоснования параметров технологических схем, обеспечивающих эффективность и безопасность их совместной отработки, являются актуальными.

Цель работы. Повышение экономической эффективности и безопасности подземной отработки свит пологих газоносных угольных пластов, склонных к самовозгоранию, на основе выбора технологических параметров их совместной отработки с учетом взаимовлияния геомеханических и газодинамических процессов на выемочных участках.

Идея работы. При выборе технологических параметров и схем совместной отработки свит пологих газоносных угольных пластов, склонных к самовозгоранию, необходимо учитывать возможность формирования аэродинамической связи между выработанными пространствами пластов и дневной поверхностью.

Основные задачи исследований:

1. Анализ горно-геологических и горнотехнических условий отработки свит пластов на шахтах Кузбасса.

2. Исследования газового режима выемочных участков при интенсивной отработке свит пологих пластов длинными столбами.

3. Исследование влияния параметров технологических схем на условия формирования аэродинамической связи между выработанными пространствами отрабатываемых пластов.

4. Разработка рекомендаций по определению параметров технологических схем при отработке свит угольных пластов.

разработанных рекомендаций.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использован комплексный метод, включающий обобщение и анализ теории и практики отработки пластов, склонных к самовозгоранию и отработки свит пластов длинными столбами; натурные исследования процессов управления газовыделением при отработке свит пологих пластов; экспериментальноаналитические исследования влияния параметров технологических схем на напряженно-деформированное состояние массива при интенсивной отработке свит пластов; компьютерная обработка данных.

Научная новизна:

Установлены условия формирования аэродинамической связи выработанного пространства пластов с поверхностью при отработке свит пологих пластов длинными столбами.

Установлены зависимости между наименьшим размером выработанного пространства на разрабатываемом пласте и высотой зоны интенсивной трещиноватости для условий шахты «Алардинская».

Основные защищаемые положения:

1. Очередность отработки пологих газоносных пластов в свите следует принимать с учетом склонности пластов к самовозгоранию и возможности формирования аэродинамической связи выработанного пространства пластов с поверхностью; в случае формирования связи, очередность выемки пластов целесообразно изменить таким образом, чтобы аэродинамическая связь не формировалась, либо формировалась лишь на заключительном этапе отработки пластов в свите.

2. Планирование горных работ на шахтах, разрабатывающих свиты пологих угольных пластов, склонных к самовозгоранию, необходимо вести с исключением образования большепролетных выработанных пространств, ширина которых превышает предельные значения с точки зрения образования аэродинамической связи с дневной поверхностью и выработанными пространствами смежных пластов; для условий шахты «Алардинская» ОУК «Южкузбассуголь» предельным значением ширины выработанного пространства для пласта 1 является 410 м.

3. Наиболее благоприятные условия с точки зрения снижения эндогенной пожароопасности обеспечиваются при соосном расположении целиков на сближенных угольных пластах.

Практическая значимость работы:

Разработаны рекомендации по определению очередности отработки пологих газоносных угольных пластов в свите длинными столбами при склонности пластов к самовозгоранию.

Разработаны рекомендации по выбору параметров технологических схем отработки пластов, склонных к самовозгоранию.

Разработаны рекомендации по выбору взаимного расположения целиков на сближенных пластах, склонных к самовозгоранию, при их совместной отработке Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций.

Достоверность защищаемых положений, основных выводов и рекомендаций обеспечивается представительным объемом данных натурных наблюдений, использованием современных апробированных методов исследований;

удовлетворительной сходимостью результатов натурных и численных исследований.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: Всероссийской конференции-конкурсе студентов выпускного курса (Санкт-Петербург, 2011 г.); ежегодной Международной конференции на базе Краковской горно-металлургической академии (Краков, Польша, 2011 г.);

Семинаре Международного научного симпозиума «Неделя горняка - 2012»

(Москва, 2012 г.); научных семинарах кафедры разработки месторождений полезных ископаемых Национального минерально-сырьевого университета «Горный» (2010-2013 гг.).

Личный вклад автора. Сформулированы цель и задачи исследований, выбраны методики и проведены экспериментально-аналитические и натурные исследования, обобщены результаты исследований, сформулированы основные научные положения и выводы.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в печатных работах, из них 3 - в изданиях Перечня, рекомендуемого ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом страниц состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 125 источников, включает 53 рисунка и 16 таблиц.

1 CОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Анализ горно-геологических и горнотехнических условий отработки Кузнецкий угольный бассейн занимает обширную впадину (котловину), ограниченную с северо-востока горными сооружениями Кузнецкого Алатау, с юга поднятиями Горной Шории, с юго-запада Салаирским кряжем. Общая площадь угленосных отложений 23 тыс. км2, наибольшая длина 335 км, ширина 110 км.

Угленосные отложения представлены комплексом осадочных пород общей мощностью до 9 тыс. м и включают более ста рабочих пластов угля.

Геологические условия залегания угольных пластов Кузнецкого бассейна чрезвычайно сложные. Вследствие интенсивных давлений, действующих главным образом со стороны Салаирского кряжа, геологические условия характеризуются большими нарушениями продуктивной толщи.

В Кузнецком бассейне подземная разработка угля ведется в 11 угольных районах, отличающихся большим разнообразием горно-геологических условий, которые по возрасту угленосных отклонений делятся на две группы:

метаморфизованными углями (марки Д, Г, ГЖ, Ж);

метаморфизованными углями (марки КЖ, К, К2, ОС, Т).

Общие геологические запасы угля бассейна до глубины 1800 метров оцениваются в 637 млрд.т., из них 548 млрд.т. отвечают параметрам по месторождений, вовлекаемых в промышленное освоение. Балансовые запасы угля Кузнецкого угольного бассейна, подсчитанные до глубины 600 метров, составляют 110,8 млрд.т., из них разведанные по сумме категорий А+В+С около 67 млрд.т., предварительно оцененные (категория С2) 44,0 млрд.т.

В юго-западной части Кузнецкого угольного бассейна развиты различно ориентированные брахиформы, в юго-восточной части залегание толщ моноклинальное. Юрские угленосные отложения слагают крупные пологие брахисинклинали. В каменно-угольных и пермских отложениях содержится около 300 пластов и прослоев угля суммарной максимальной мощностью 380метров, из них 126 пластов кондиционной мощности. В тонких пластах (до 1,3 м) около 19% запасов, в средних (1,3-3,5 м) – 43%, в мощных (3,5-10 м) и весьма мощных (до 20-30 м) – 38%. В юрских отложениях вскрыто до платов угля, из них от 5 до 14 мощностью 0,8-9 метров.

По петрографическому составу угли балахонской и кольчугинской серий каменные (с содержанием витринита соответственно 30-60 и 60-90%).

Марочный состав каменных углей в соответствии с ГОСТом 8162- изменяется от длиннопламенных до антрацитов. Зольность углей А d 7-20%, влажность рабочая Wr 5-15%, содержание S 0,4-0,6%, R до 0,12%, выход летучих веществ Vdaf от 4% (антрацитов) до 42% (длиннопламенных).

Удельная теплота сгорания Qdaf по бомбе 33,3-36,0 МДж/кг, низшая Qir 22,8МДж/кг.

Действующие угольные шахты являются опасными по газу и угольной пыли. К наиболее газообильным относятся шахты Анжерского, Кемеровского, Прокопьевско-Киселевского и Осинниковского районов. Многие шахты разрабатывают пласты, опасные по горным ударам и склонные к самовозгоранию. Глубина разработки 200-600 и более метров. Около 50% шахтопластов с глубины 150 м относятся к угрожаемым по горным ударам, с глубины 300 м – к выбросоопасным. В 20-30% случаев вмещающие породы анализируемых шахт характеризуются наличием обводненности разрабатываемых пластов с водопритоком от 5 до 160 м3/ч. Мощность разрабатываемых пластов колеблется от 0,8 до 30 метров, углы залегания пластов сильно колеблются в зависимости от районов и составляют от 0 до 60 градусов. В большинстве случаев вмещающими породами являются алевролиты, аргиллиты и песчаники. Большая часть шахтопластов является опасной по газовому фактору и относится к III категории метанообильности и выше. Стоит отметить, что угленосные отложения, относящиеся к Кольчугинской серии верхнепермского возраста, содержат пластов общей мощностью более 0,7 м, мощность пластов колеблется в диапазоне от 0,7-0,8 до 4,2-5,8 м, причем 17 угольных пластов еще не разрабатывались.

Расстояние между пластами изменяется от 13-20 до 64-90 м, что дает основание в большинстве случаев рассматривать рабочие пласты как сближенные.

Как показывает анализ, наибольшие организационные и финансовые затраты, связанные с инженерной подготовкой выемочных участков на шахтах Кузбасса обусловлены газовым фактором, склонностью угля к самовозгоранию и высокой обводненностью запасов. Следует отметить, что большая часть угольных пластов относится к мощным. С учетом вышеизложенного горно-геологические условия залегания анализируемых шахтопластов следует рассматривать как осложненные одновременно одним-тремя неблагоприятными факторами, а в отдельных случаях как сложные.

1.2 Анализ технологических схем отработки свит пологих пластов на зарегистрирована 121 угольная шахта, из них добычу осуществляют 84 [107].

метанообильности.

Рисунок 1.1 – Распределение угольных шахт по метанообильности В настоящее время подземная добыча угля в Российской Федерации характеризуется следующими условиями:

Доля добычи угля из шахт опасных по метану, внезапным Доля пластов опасных по взрывчатости угольной пыли – 91%;

Доля пластов склонных к самовозгоранию – 61%;

Доля пластов опасных по внезапным выбросам угля и газа – 49%;

Доля пластов опасных по горным ударам – 22%.

С каждым годом наблюдается повышение уровня концентрации горных работ и рост производительности очистных забоев. Стремительный рост нагрузок на очистные забои закономерно приводит к тому, что многие современные шахты переходят к структуре «шахта — лава», когда вся шахтная угледобыча сосредоточивается в одном высокопроизводительном очистном забое. В этих условиях резко возрастают требования к качеству проектов подготовки и отработки выемочных участков, обеспечению требований промышленной безопасности [66]. Вместе с тем, поля таких шахт включают, как правило, свиту пластов, в которой выемка пластов производится поочередно, что необходимо учитывать при планировании горных работ.

В настоящее время на большинстве шахт РФ используются схемы подготовки выемочных участков спаренными выработками с оставлением неизвлекаемых ленточных целиков, что обеспечивает большую эффективность и безопасность горных работ по сравнению с бесцеликовыми схемами. Длина лав в отдельных случаях превышает 300 метров, длина выемочных участков достигает 3000 и более метров. В 2013 году работало 71 комплексно-механизированный забой со среднесуточной нагрузкой 4392 т/сут [107]. В апреле 2013 года на шахте «Талдинская-Западная-1» был установлен рекорд производительности очистного забоя на шахтах России – 1007 тыс. т/мес при отработке пласта 67 мощностью 4, м, весьма склонного к самовозгоранию. Выемочный участок был подготовлен спаренными выработками, разделенными неизвлекаемыми ленточными целиками.

Проветривание участка осуществлялось по возвратноточной схеме.

В условиях возрастающей конкуренции на мировом рынке угля требование обеспечения высоких нагрузок на очистные забои остается ключевым при выборе технологических решений по подготовке и отработке выемочных участков угольных пластов.

Наблюдается тенденция увеличения геометрических параметров выемочных столбов, связанная с ростом возможностей современных средств механизации очистных работ. Так, в 2013 году средняя длина лавы на шахтах США составила 356 м (+15 м по сравнению с 2012 г.), а средняя длина столба – 3392 м (+152 м по сравнению с 2012 г.) при максимальных значениях 495 м и 7800 м соответственно [125]. Средняя производительность длинных очистных забоев составила 4,41 млн. т/год, из 48 выемочных участков 39 (81%) были подготовлены тремя выработками с каждой стороны выемочного столба; 6 (13%) – четырьмя выработками; 3 (6%) – спаренными выработками.

Современные угольные шахты, разрабатывающие свиты пластов, в перспективе планируют переход ведения горных работ на нижележащие пласты.

Временной промежуток между началом ведения горных работ на действующем горизонте и переходом на нижележащие пласты может достигать 10 и более лет.

В связи с этим, схемы подготовки выемочных участков, а также планирование горных работ при переходе на сближенные пласты могут отличаться. Так, на некоторых шахтах, разрабатывающих свиты пологих угольных пластов с оставлением межлавных целиков, ширина выемочных участков на сближенных пластах различна. В этом случае межлавные целики формируются по действующему пласту с некоторым смещением относительно межлавных целиков на сближенных, ранее отработанных пластах. Анализ планов горных работ целого ряда шахт Кузнецкого и Печорского бассейнов показал, что в настоящее время целики на сближенных пластах оставляются, во многих случаях, бессистемно (рисунок 1.2 а, б), различных геометрических форм и размеров (рисунок 1.2 в).

а) - Бреевский и Байкаимский (шахты Комсомолец и 7 Ноября); б) - Тройной и Четвертый (шахта Воркутинская); в) – пласт 3-3а (шахта Алардинская).

Рисунок 1.2 – Расположение выемочных участков по пластам действующих шахтах оставляются параллельно, под углом или практически перпендикулярно друг другу. При параллельном расположении целиков они могут находиться соосно или со смещением относительно друг друга. Это приводит к формированию зон ПГД самой разнообразной формы и размеров.

При подготовке выемочных участков спаренными выработками на высокогазоносных пластах в ряде случаев приоритет отдается возвратноточным или комбинированным схемам проветривания в сочетании с комплексными схемами дегазации и изолированным отводом метановоздушной смеси (МВС).

Применение дегазации и изолированного отвода МВС объясняется тем, что увеличение нагрузок на очистные забои способствует росту метанообильности, а количество подаваемого воздуха на выемочный участок недостаточно для разбавления выделяющегося метана до безопасных концентраций. Применение комбинированных схем проветривания выемочных участков с изолированного отвода МВС на пластах склонных к самовозгоранию способствует увеличению утечек воздуха в выработанное пространство, что создает благоприятные условия для возникновения очагов самовозгорания. В свою очередь, очаг самовозгорания может явиться причиной взрыва метановоздушной смеси, что неоднократно имело место на шахтах Кузбасса.

1.3 Анализ аварий на шахтах, связанных с самовозгоранием угля За период 2002-2012 гг. в угольной промышленности произошло аварий, в результате которых смертельно травмированы 465 человек. При этом 52 аварии связаны с взрывами и вспышками метана, в которых погибло 394 человека, что составляет 84,7% от общего количества пострадавших в авариях.

В таблице 1.1 представлено количество категорированных аварий за последние 2,5 года на шахтах, повлекших за собой смертельный травматизм.

Проанализировав данные, представленные в таблице 1.1, можно сделать вывод о том, что в процентном соотношении количество взрывов и пожаров из общего числа аварий составило:

А) за 2010 год – 63,6%;

Б) за 2011 год – 46,2%;

В) за 6 месяцев 2012 года – 70%.

Анализ статистических данных указывает на снижение количества ежегодно возникающих эндогенных пожаров:

- в 1984-1988 гг. возникло 113 пожаров при среднем числе 23 в год;

- в 1991-1995 гг. имели место 94 случая, т.е. в среднем 19 пожаров в год;

- в 1996-2000 гг. возникло 64 пожара при среднем числе 13 в год;

- в 2001-2005 гг. возник 41 пожар при среднем числе 8 в год;

- в 2006-2010 гг. возникло 32 пожара при среднем числе 6 в год.

Так же стоит отметить, что степень тяжести аварий, а вместе с тем и сложность ведения горноспасательных работ возрастают. Почти каждый второй эндогенный пожар осложняется или пламенным горением или взрывоопасной ситуацией.

В таблице 1.2 представлены данные о распределении аварий по территориальным органам Ростехнадзора за период 2010 – 2012 гг.

На основе данных представленных в таблице 1.1, можно сделать вывод о том, что большая часть аварий относится к шахтам на территории Кузнецкого угольного бассейна:

А) в 2010 году - 17 из 22 аварий (77,3%);

Б) в 2011 году - 9 из 13 аварий (69,2%);

В) в первом полугодии 2012 года - 8 из 10 аварий (80%) самовозгоранием угля в шахтах.

Таблица 1.1 – Количество категорированных аварий в угольных шахтах и смертельный травматизм за период 2010–2012 гг.

Взрыв (горение, вспышки) газа и угольной пыли Затопления горных выработок, прорыв воды Отравления, удушье Таблица 1.2 – Распределение аварий на шахтах по территориальным органам Ростехнадзора за период 2010 – 2012 гг.

1. Южно-Сибирское упр.

- Кемеровская область - Ростовская область 5. Сахалинское управление - Республика Коми Таблица 1.3 – Наиболее значимые аварии 2005-2011 гг., связанные с самовозгоранием угля.

02.10. Киселевская», ОАО ХК «СДС-Уголь»

Обрушение пород кровли в камерах, ОАО самонагревания угля в изолированном 28.02. «Шахта Кранокаменская», ЗАО УК «ТалТЭК» пространстве; отсутствие контроля за Взрыв метановоздушной смеси, ОАО «Шахта 04.03. Кранокаменская», ЗАО УК «ТалТЭК»

Вспышка метановоздушной смеси, ОАО «Шахта Самонагревания разрыхленной массы угля в 28.05. Вспышка метановоздушной смеси, ООО «Шахта Наличие самонагревания угля в краевой 17.07. Тырганская», УК «Прокопьевскуголь» части межблокового целика 17.04. Взрыв метановоздушной смеси, ООО «Шахта Активизация очага списанного 29.11. 14.02. 09.05. 25.02. Эндогенные пожары на шахтах Кузнецкого бассейна возникали во все периоды его разработки. Однако для Кузбасса характерно постоянное изменение условий их возникновения из-за непрерывного углубления горных работ, внедрения новых технологий выемки угля, роста действующих пожаров и т.д.

углубления горных работ в Кузбассе составляли 10 метров в год.

Переход на отработку более глубоких горизонтов в этих условиях, особенно на шахтах Прокопьевско-Киселевского района, привел к увеличению числа пожаров из-за подработки ранее списанных пожаров и снижения эффективности общепринятых способов их профилактики.

Исследования Игишева В.Г. [58] показали, что места возникновения эндогенных пожаров за 1995, 2004, 2005, 2009 и 2010 года распределились следующим образом:

- в целиках и скоплениях угля у выработок – 5 пожаров (11%);

- в отработанной части пластов – 39 пожаров (89%).

Из сравнения этих данных с данными 1987 г., можно сделать вывод, что распределение пожаров по местам возникновения остается неизменным.

Пожары в выработанном пространстве сохраняются на уровне 89-90% (таблица 1.4).

Таблица 1.4 – Места возникновения эндогенных пожаров на пластах пологого и наклонного падения.

Место возникновения пожара Процент от общего количества Статистические данные свидетельствуют о том, что в последние годы произошло смещение эпицентра проблемы борьбы с самовозгоранием угля от региона с преобладанием крутых пластов в регионы с пластами пологого и наклонного залегания.

Необходимо отметить тот факт, что в последние годы происходили два взаимозависимых процесса – повышение нагрузки на очистные забои и сокращение их числа. Оба этих процесса обусловлены необходимостью достижения эффекта рентабельности подземной добычи. С повышением нагрузок на очистные забои увеличилось количество выделяемого газа.

Необходимость разбавления метановоздушной смеси при высоких нагрузках предопределила расширение области применения прямоточных схем проветривания и внедрение схем с отводом метана по выработанному пространству с помощью газоотсасывающих установок.

выработанных пространствах угольных пластов 1 и 3-3а. На шахте велась совместная отработки свиты пологих угольных пластов, склонных к самовозгоранию. По пласту 6 отработка велась в два слоя с оставлением межлавных и межслоевых целиков. По пласту 3-3а отработка велась в один слой с оставлением межлавных целиков.

предусматривались комбинированные с изолированным отводом метана из выработанного пространства по газодренажным выработкам при помощи газоотсасывающей установки УВЦГ-15 (одна в работе, одна в резерве), Комбинированная схема проветривания с изолированным отводом метана из выработанного пространства при помощи газоотсасывающей установки УВЦГ- – предусматривает отвод метановоздушной смеси через выработанное пространство всего выемочного столба, что приводит к образованию потоков воздуха через концентрированные потери разрушенного угля, обладающего высокой химической активностью, на протяжении всего срока отработки выемочного столба, как правило, существенно превышающего инкубационный период самовозгорания угля.

Отрабатываемые шахтой «Алардинская» пласты 3-3а и 6 относятся к весьма склонным и склонным к самовозгоранию соответственно, что предопределяет необходимость выполнения целого ряда требований нормативных документов, направленных на предотвращение возникновения эндогенных пожаров, что в конечном итоге существенно ограничивает возможность применения известных эффективных технико-технологических решений, существенно усложняет применяемые технологические схемы и приводит к значительному повышению себестоимости добываемого угля.

документов, на шахте, с разницей во времени меньше года, произошло два взрыва. Расследование показало, что причиной взрывов являлся эндогенный пожар, возникший в выработанном пространстве пласта 3-3а, отработанном ранее.

В акте технического расследования был выполнен расчет границ зоны трещин в соответствии с Приложением 4 «Правил охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях», на основании которого был сделан вывод о наличии взаимного аэродинамического влияния между выработанными пространствами пластов 1 и 3-3а, 6 и возможных перетоков газовоздушной смеси под влиянием депрессии развиваемой газоотсасывающими вентиляторами.

показывает, что подобного рода аварии происходят с гораздо большей частотой (59,9%).

Большая часть подобных аварий приходится на долю шахт, относящихся к Кузнецкому бассейну (75,5%). Более того, наибольший смертельный травматизм на шахтах связан именно этой категорией аварий (69,6%).

Несмотря на тенденцию ежегодного снижения частоты возникновения подобных аварий, возрастает степень тяжести аварий и смертельного травматизма.

Большая часть шахт в настоящее время ведет последовательную или совместную разработку свит пологих угольных пластов, склонных к самовозгоранию. Часть шахт планирует переход на нижележащие пласты, следствием чего является повышение риска возникновения подобного рода аварий.

1.4 Анализ научных исследований и нормативной базы по отработке свит Очередность отработки пластов в свите зависит от множества факторов и регламентируется соответствующими нормативными документами.

При разработке свит пластов опасных по горным ударам, в первую очередь следует производить выемку неопасного защитного пласта. Если все пласты свиты угрожаемые или опасные, разработку надо начинать с пласта менее опасного и обеспечивающего наибольшую эффективность защитного действия в соответствии с требованиями Инструкции [61].

Пласты в свите опасные и угрожаемые по внезапным выбросам угля и газа могут разрабатываться в нисходящем, восходящем и смешанном порядке.

Порядок разработки пластов в свите выбирается с таким расчетом, чтобы обеспечить эффективную защиту наибольшего числа пластов, опасных и угрожаемых по внезапным выбросам.

При наличии в свите невыбросоопасных пластов (пропластков) или угрожаемых пластов следует предусматривать их первоочередную разработку в качестве защитных. Если все пласты в свите отнесены к выбросоопасным, то в первую очередь следует разрабатывать менее опасный пласт или пласт, при разработке которого наиболее эффективно применение комплекса мер по предотвращению внезапных выбросов угля и газа, и обеспечивается максимальная защита соседних пластов по площади. [60] При сближенных пластах, склонных к самовозгоранию, их рекомендуется отрабатывать в нисходящем порядке без оставления целиков угля и на полную мощность [62].

Таким образом, существующие нормативные документы не рассматривают комплексное взаимовлияние осложняющих работу горно-геологических факторов. Порядок отработки пластов в свите определяется в каждом конкретном случае отдельно.

Подавляющее большинство угольных месторождений представлено свитами пластов [13, 19]. Наиболее распространенным является нисходящий порядок отработки пластов в свите, что в большинстве условии приводит к надработке верхними пластами нижних. В ряде случаев надработка оказывается экономически невыгодной. Например, если нижний пласт более кондиционный, без прослоев пород, большей мощности, коксующийся, экономически выгодна его первоочередная выемка. Но он может быть одновременно и угрожаемым или опасным по внезапным выбросам или горным ударам.

Закономерности формирования удароопасности на отдельных участках угольных пластов на шахтах Кузбасса и меры по предотвращению этих опасных явлений установлены исследованиями ВНИМИ [17, 31, 43, 69, 91, 97, 108]. Одной из основных мер предупреждения горных ударов и внезапных выбросов угля и газа является предварительная разгрузка опасных пластов от горного давления путем надработки или подработки, которая осуществляется выемкой защитных пластов. Поэтому при решении вопросов обеспечения концентрации горных работ следует исходить из наличия в группе защитных пластов. Особую роль газового фактора в управлении горным давлением при разработке свит указывают авторы [43, 45, 50, 67].

Надработка пластов имеет большие радиусы действия, достигающие метров и более [19]. При уменьшении мощностей междупластий надработка оказывает все более существенное воздействие и на сближенных и весьма сближенных пластах может наносить большой экономический ущерб. В ряде случаев надработка может оказывать благоприятное воздействие на показатели последующей разработки. Таким образом, использование надработки может являться не только целесообразным, но и обязательным. А.А. Борисов в работе [19] также отмечает, что конкретный характер проявлений процессов деформаций и напряжений в подстилающей толщи при надработке зависит от горногеологических условий в целом, включая строение всей толщи пород, глубину работ и угол залегания пластов, строение и физико-механические характеристики пород междупластий, а также от технологических параметров, особенно таких, как способы подготовки, системы разработки, длина очистных забоев, способы управления кровлей, скорости подвигания очистных работ.

надрабатываемого пласта и передаваемых на него опорных давлении и их перепадов, может происходить или уплотнение надрабатываемого пласта, и, следовательно, его упрочнение или же наоборот его частичное разрушение (разрыхление). Это создает благоприятные условия для газоотдачи надрабатываемого пласта. При трещиноватых породах газ в значительной степени может дренироваться. Таким образом, автор делает вывод, что в определенных условиях надработка может существенно менять агрегатное состояние надрабатываемого пласта и свойств пород междупластья, в частности их трещиноватость и газопроницаемость. В свою очередь, при отработке пластов, склонных к самовозгоранию, повышение трещиноватости и газопроницаемости пород междупластья может привести к перетокам газовоздушной смеси и возникновению очагов самовозгорания в выработанных пространствах отрабатываемых пластов. Однако влияние надработки на эндогенную пожаробезопасность А.А. Борисовым не рассматривалось.

Кроме преимущественно распространенного нисходящего порядка отработки свиты пластов в такой же степени допускается и восходящий порядок [13]. Восходящий порядок отработки пластов в свите возможен при условии, если верхний пласт не попадает в зону беспорядочного обрушения пород над выработанным пространством нижнего пласта. Это объясняется главным образом тем, что при первоначальной выемке нижнего пласта вышележащий может получить значительные деформации, что в ряде случаев затруднит возможность его отработки. Однако с позиции безопасной отработки свит пластов опасных по горным ударам и внезапным выбросам угля и газа автор считает наиболее действенным в этом отношении восходящий порядок отработки.

В работе [19] подробно описано влияние подработки пластов, вызванное восходящим порядком отработки пластов в свите. На рисунке 1.3 представлена общая схема подработки верхнего пласта нижним. Влияние подработки целесообразно рассмотреть лишь при её допустимости, когда подрабатываемый пласт не попадает в зону интенсивного дробления и не будет испорчен для последующей выемки. Попадая зону опорных давлений, возникающих на передних границах расслоений (зона II), подрабатываемый пласт испытывает нагружение. В зоне разломов и опусканий пород, позади передних границ указанных расслоений (зона III), пласт испытывает резкую нагрузку, большие деформации, разломы и опускания. В задней зоне опорного давления, вблизи задних границ разломов – за зоной III, нагрузки на пласт возрастают.

Таким образом, режим нагружения подрабатываемого пласта сложнее, чем надрабатываемого, так как последний не испытывает разломов и перемещении в зоне уплотнения обрушенных пород непосредственной кровли.

В результате сложного режима нагружения и разломов пласта и пород междупластья при подработке происходит частичный дренаж газа и осушение пласта и пород.

Рисунок 1.3 – Общая схема подработки верхнего пласта нижним по А.А.

Планирование горных работ на угольных пластах свиты должно исходить из минимизации формирования опасных зон и особо сложных условий ведения горных работ. В настоящее время для разработки свит пластов применяются технологические схемы, которые предусматривают оставление межлавных целиков. В этом случае необходимо проводить расчет целиков для каждого предприятия в отдельности и увязывать их совместное расположение на разрабатываемых пластах.

Методические положения по геомеханическим схемам регионального управления горным и газовым давлением базируются на закономерностях формирования в массиве горных пород зон с различным уровнем напряжений – зон разгрузки и зон пригрузки. По критериальным значениям напряжений в этих зонах выделяются защищенные зоны и зоны повышенного горного давления (зоны ПГД).

При под- или надработке в угольном пласте происходит последовательная смена видов его напряженного состояния: переход из состояния геостатического сжатия в зоне, не подверженной влиянию горных работ подрабатывающего пласта, в состояние неравно компонентного сжатия, обусловленное ростом нормальных к напластованию напряжений в зоне опорного давления и уменьшением бокового распора на границе зон опорного давления и разгрузки и далее последующая разгрузка от горного давления.

Различный характер трещиноватости, ориентации и числа образующихся обуславливает формирование защищенных зон и участков повышенной опасности [59, 92].

Участки угольных пластов, над- и подработанные в условиях эффективной газоотдачи, что при наличии газопроводящих трещин в породах междупластья аэродинамических связей выработанных пространств. Это в свою очередь самовозгоранию угля, которое будет являться источником воспламенения метановоздушной смеси.

При больших междупластьях, когда дегазация затруднена происшедшие изменения трещинной структуры углей создают условия для равномерной и быстрой дегазации выбросоопасного пласта со стороны забоя очистной и подготовительной выработок [84, 100].

Длительное действие зон ПГД приводит к образованию в пласте структурных, а, следовательно, и газодинамических аномалий (участков с резко отличающимися свойствами), что способствует созданию выбросоопасных ситуаций. После прекращения действия повышенного горного давления (после выемки целиков) на над- или подработанных участках даже при расстояниях между пластами, превышающих дальность защитного действия, газодинамические аномалии сохраняются и являются причиной повышенной выбросоопасности в “бывших” зонах ПГД.

Обоснование методик расчета и построения защищенных зон и зон ПГД базируются на работах Петухова И.М. [92, 93].

возникающее под влиянием горных работ. Часть массива горных пород, в которой напряжения больше, чем в нетронутом массиве (y > Н) принято считать зоной опорного давления. Часть массива горных пород, в пределах которой напряжения, напряжений в нетронутом массиве (y < Н ) считается зоной разгрузки. Часть массива горных пород в пределах зоны разгрузки, в которой напряжения y < Н0, где Н0 – глубина, начиная с которой на данном пласте появились горные удары, внезапные выбросы угля, породы и газа или другие вредные проявления горного давления, считается защищенной зоной.

Поскольку возрастание нагрузок на почву пласта от сдвигающихся пород идет, примерно, по прямой линии под углом давления (или под углом полных сдвижений 3 [96, 118]), то на расстоянии L = Н0сtg напряжения вновь достигнут прекратится. В этом случае на пласте, опасном по горным ударам, попавшем в пределы участка с восстановившимися напряжениями, могут возникнуть горные удары.

Нормативными документами установлено, что механические свойства угольных пластов (упругость и прочность), определяющие их удароопасность, при надработках и подработках не претерпевают существенных изменений. Если после отработки защитного пласта создаются условия для повторного нагружения надработанного или подработанного опасного пласта, то восстанавливается его удароопасность. Установлены пространственные границы, при которых на надработанных и подработанных пластах формируется область восстановления опасных нагрузок (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 – Схема ВНИМИ к построению защищенной зоны и области восстановления опасных нагрузок: а – при размере выработанного пространства менее а L1 +L2 ; б – то же при а > L1 +L2 ; А – защищенная зона; Б – область Значения параметра Li для пластов пологого залегания равны 150-170 м.

Исходя из этих условий, устанавливаются безопасные опережения отработки смежных пластов свиты, при которых участки ведения горных работ на защищаемом пласте располагаются в условиях действия напряжений, не превышающих критические значения. Принятые по величинам напряжений параметры опережений горных работ на сближенных пластах не регламентируют условия сохранности устойчивости подготовительных выработок.

Можно сделать вывод о том, что на сегодняшний день угольная промышленность не имеет четких, строго регламентирующих документов и технологических схем отработки свит пологих угольных пластов. Жесткие требования о порядке отработки свит пластов отсутствуют.

Большинство рекомендаций, а именно отработка свит пологих угольных пластов по бесцеликовой схеме подготовки, не соблюдается. Большая часть шахт ведет отработку свит, оставляя межлавные и межслоевые целики, неправильный расчет и расположение которых нередко приводят к аварийным ситуациям на шахтах. Из этого можно сделать вывод, что современные способы управления состоянием горного массива в данном случае несовершенны.

Основателем русской, а затем советской школы ученых, работающих в области рудничной атмосферы, аэродинамики, рудничной термодинамики, борьбы с газопроявлениями в выработках, их запыленностью и рудничными А.А. Скочинский изучал процессы самовозгорания угля и сульфидных руд.

Работа заключалась в накоплении фактических данных об условиях самовозгорания угля и сульфидных руд и дальнейшей разработке методов для исследования этих условий. В результате обобщения опыта были намечены пути борьбы с рудничными пожарами. Это направление развивалось докторами технических наук В.В. Веселовским и Л.Н. Быковым. В 1937 г.

А.А. Скочинский выдвинул новую идею о предупреждении и тушении рудничных пожаров от самовозгорания угольных пластов и колчеданных руд путем применения антипирогенов – ингибиторов химического действия.

Основные положения теории самовозгорания углей, научные основы Скочинского, Л.Н. Быкова, В.С. Веселовского, В.М. Маевской, В.Ф. Орешко, Г.Л. Стадникова. Дальнейшее развитие теоретических основ самовозгорания углей представлены в работах Е.И. Глузберга, А.И. Казлюка, Г.Н. Крикунова, В.И. Саранчука, Х.А. Баева, Л.П. Белавенцева, М.Г. Резника. Эти работы определили направление научного поиска, расширили представление о предупреждения самовозгорания углей.

Исследованию факторов, влияющих на характер самовозгорания углей в шахтах, посвящено большое чисто работ [2, 5, 6, 12, 15, 16, 24-27, 35, 36, 38, 40, 46-50, 52-54, 57, 67, 77-83, 87, 103, 104, 113-115, 122, 123].

установлено, что на развитие самонагревания наиболее существенное влияние оказывают свойства углей. Среди которых его химическая активность, теплофизические свойства; геологические условия залегания пластов, характеризующиеся мощностью, углом падения, свойствами вмещающих пород, геологическими нарушениями; горнотехнические условия разработки, включающие скорость подвигания очистного забоя, способ управления выработанные пространства и угольные целики, депрессию участков. Однако эти теории в большинстве случаев не учитывали общую совокупность всех горно-геологических и горнотехнических факторов[22, 33, 34, 39, 41, 103,111].

В работах В.С. Веселовского [24] были выделены три условия, необходимые для возникновения и развития самовозгорания угля в шахте:

уголь должен иметь способность окисляться при низких температурах, количество кислорода для протекания процесса должно быть достаточным, а количество выделившегося тепла должно преобладать над отдачей его в окружающую среду.

В работах В.М. Маевской [79, 81-83] и Е.И. Глузберга [32, 38-40] получены аналитические зависимости для определения параметров угольных скоплений, при которых прогрессирующее самонагревание невозможно в зависимости от горно-геологических и горнотехнических факторов. Помимо этого, установлено, что скорость подвигания очистного забоя как средство управления пожароопасностью участков имеет большое значение для целого исследования выявили, что при выемке угля по падению пласта, наиболее пожароопасными являются скорости 40-60 м/мес, в остальных случаях – 15- м/мес. При более высоких скоростях подвигания очистного забоя условия разработки становятся малоопасными [39, 40].

В работах [5, 7, 8, 9, 20, 21, 23, 24, 26, 28, 37, 40, 42, 55, 57, 70изучено большое количество способов прогноза пожароопасности скоплений угля, участков и шахт. Приведены оценки их методологического подхода к прогнозированию самовозгорания углей. К разработанный в МАКНИИ и ВостНИИ по площади газовой характеристики S и выходу летучих веществ [55, 76].

В соответствии с действующими нормативными документами [56] активностью, углом падения, мощностью пласта, наличием геологических нарушений и наличием пропластков угля суммарной мощностью более 0, метра во вмещающих породах (таблица 1.5).

Таблица 1.5 – Классификация природных факторов по степени влияния на эндогенную пожароопасность Химическая см/г ч Угол падения пласта, град.

Геологические нарушения Пропластки породах Вместе с тем, следует отметить, что очаг самовозгорания может сформироваться и при отработке пластов, ранее отнесенных к не склонным к самовозгоранию. Так, эндогенный пожар на шахте «Полысаевская» возник 19.09.2001 в лаве №18-21 пласта Толмачевского [58], который не был отнесен к категории склонных к самовозгоранию. За всю историю его отработки на шахте не было ни одного самовозгорания угля. Средняя скорость подвигания лавы составляла 190 м/мес. Фактическая запыленность лавы равнялась 325 мг/м3, при этом масса угольной пыли, выносимая утечками воздуха в течение суток, достигала 31,6 кг. Общая масса пыли, отложившейся на их пути в течение года, составила около 11 тонн.

производительности газоотсасывающих установок до 400 м 3/мин и более суточные отложения угольной пыли на пути движения метановоздушной смеси достигают 100 кг. В данном случае пыль будет способствовать самовозгоранию угля, что подтверждается данными о влиянии крупности угля в скоплении на продолжительность инкубационного периода при самовозгорании (таблица 1.6) [14].

Таблица 1.6 – Расчетные значения инкубационного периода Содержание Инкубационный период (сутки) в зависимости от размера фракций угля, м.

кислорода (Ск), % Как видно из таблицы 1.6, минимальные инкубационные периоды характерны для фракций угля менее 5 см, а именно: 1 см и 1 мм. Таким образом, в зависимости от крупности угля в скоплении продолжительность инкубационного периода для одного и того же пласта может различаться в сотни раз.

Критическая для самовозгорания масса угля, найденная аналитическим способом, составляет 5,2 т. Наблюдения показывают, что для самовозгорания достаточно 2-3 тонны угля. В тоже время на шахтах Кузбасса известны случаи самовозгорания скоплений угля массой 1-2 тонны.

В работе [24] установлено, что при уменьшении фракций угольной пыли увеличивается удельная скорость сорбции кислорода, что в свою очередь увеличивает риск возникновения эндогенного пожара.

Кроме этого, скопление угольной пыли в выработанном пространстве в виде аэрогеля и аэрозоля резко снижает эффективность газоаналитического метода обнаружения очагов самовозгорания в ранней стадии. В исследованиях Игишева В.Г. представлено, что фракции угольной пыли менее 0,064 мм имеют удельную скорость сорбции кислорода в три раза больше чем у угля, фракции которого равны -3+1,0 мм. В соответствии с этим отмечается высокое содержание оксида углерода до 0,098%. В реальных условиях «эндогенный пожар» фиксируется при концентрации оксида углерода в 0,01%.

В руководстве [101] указаны 16 факторов, определяющих эндогенную пожароопасность действующих выемочных полей шахт:

наличие пожаров в граничных полях;

химическая активность угля;

наличие наносов глины на поверхности;

наличие горелых пород на выходах пласта;

наличие сближенных пластов в кровле отрабатываемого;

газообильность поля;

способ управления кровлей;

скорость отработки по простиранию;

количество воздуха.

В то же время, общего критерия, позволяющего комплексно учитывать совокупное влияние факторов и количественно оценивать вероятность самовозгорания угля в действующем руководстве [101], не представлено.

Также не указано, каким образом следует учитывать сближенность пластов, и как она влияет на эндогенную пожароопасность [67].

В работе [124] описываются результаты компьютерного газодинамического моделирования проветривания выемочного столба комбинированным способом.

Результаты данного моделирования представлены на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 – Результаты газодинамического моделирования проветривания выемочного участка комбинированным способом На рисунке изображен один из сценариев; количество подаваемого воздуха для проветривания очистного забоя составляет 50 м3/с (3000 м3/мин). Результаты показывают, что поступление кислорода в выработанное пространство выемочного участка со стороны откаточного штрека с концентрацией выше процентов распространяется на 350 метров позади лавы и выше 10 процентов на 600 метров позади лавы. Исследование показывает, что поступающий воздух и депрессия оказывают основное влияние на поступление газа от 50 до 150 метров позади лавы в выработанное пространство.

аэродинамическая связь между отрабатываемыми участками и перетоки газовоздушной смеси между пластами. Перетоки газовоздушной смеси будут зависеть от проницаемости массива и разности давлений [124]. Перетоки газовоздушной смеси между выработанными пространствами отрабатываемых пластов может послужить причиной возникновения эндогенного пожара в выработанном пространстве.

В 1991 году институтом горного дела им. А.А. Скочинского был издан альбом технологических схем разработки пластов на угольных шахтах, в котором вопросы управления газовыделением, управления состоянием массива, обоснования пространственно-планировочных решений, проведения и крепления горных выработок рассматриваются в комплексе и в привязке к конкретным горно-геологическим условиям. В альбоме предлагается комплекс технических решений, внедрение которых обеспечивало экономически приемлемый для того времени уровень технико-экономических показателей для широкого диапазона горно-геологических условий. В отношении пологих пластов акцент в схемах сделан на применении бесцеликовых схем подготовки с нисходящим порядком отработки выемочных участков в сочетании с механизированными комплексами отечественного или польского производства и прямоточными схемами проветривания выемочных участков. В альбоме в отношении пологих пластов, склонных к самовозгоранию, рекомендованы бесцеликовые схемы подготовки в сочетании, как с возвратноточными, так и прямоточными схемами проветривания.

При использовании прямоточных схем проветривания рекомендуется возводить за лавой на границе с выработанным пространством искусственную ограждающую полосу вдоль всей выемочной выработки. При сближенном расположении пластов их выемку рекомендовано производить, как правило, в нисходящем порядке на полную мощность и без оставления целиков угля.

Минимальная мощность междупластья, при которой допускается подработка пластов нижележащими пластами с обрушением кровли, должна быть такой, чтобы исключалась аэродинамическая связь между пластами угля. При меньшей мощности междупластья или невозможной выемки пластов на полную мощность рекомендовано производить полную закладку выработанного пространства [108].

Практика показала, что бесцеликовые схемы обеспечивают безопасность горных работ в отношении горных ударов, но существенно ограничивают возможности роста нагрузок на забои по газовому фактору. Применение закладки выработанного пространства при отработке пологих пластов на шахтах РФ не применяется, т.к. это существенно увеличивает затраты на добычу и не позволяет обеспечить конкурентоспособность шахт.

В технологических схемах 2011 года [109] для отработки пластов, склонных к самовозгоранию также рекомендованы бесцеликовые схемы подготовки выемочных участков, а при наличии тяжелых кровель – спаренными выработками с последующей выемкой целиков при отработке смежного столба. Рекомендуется применять возвратноточные схемы проветривания, а при газообильности более 3 м3/мин – прямоточные. Рекомендаций по планированию отработки свит пластов, склонных к самовозгоранию, не представлено.

В Технологических схемах многоштрековой подготовки выемочных столбов для отработки высокогазоносных и самовозгорающихся пологих угольных пластов, обеспечивающих высокопроизводительную и безопасную работу комплексно-механизированных забоев, утвержденных приказом Ростехнадзора №735 от 22 декабря 2011 г., представлены 5 схем подготовки выемочных участков спаренными выработками. Однако эти схемы не предназначены для пластов, угрожаемых по горным ударам; не рассмотрены варианты с восходящим порядком отработки выемочных участков, а также с подвиганием лав по падению пласта. Также не представлены рекомендации по выбору параметров совместной отработки свит пластов, склонных к самовозгоранию.

Проведенный анализ горно-геологических и горнотехнических условий отработки угольных пластов на шахтах, перспектив развития технологии подземной угледобычи, обзор опыта отработки свит пластов, склонных к самовозгоранию, а также состояния научно-исследовательских работ в этой области позволяет сделать следующие выводы:

Большая часть шахт РФ ведет одновременную разработку свит пластов или планирует в перспективе разработку нижележащих пластов. При этом, доля пластов, склонных к самовозгоранию, составляет 61% от общего числа разрабатываемых пластов.

Ежегодное увеличение нагрузок на очистные забои приводит к росту метанообильности выемочных участков, и, как следствие, повышению количества подаваемого на участки воздуха, использованию схем проветривания с изолированным отводом метановоздушной смеси через выработанное пространство.

Несмотря на общую тенденцию к снижению количества эндогенных пожаров, их количество остается неприемлемо высоким (примерно 6 в год), степень тяжести таких аварий, а вместе с тем и сложность ведения горноспасательных работ возрастают. Почти каждый второй эндогенный пожар осложняется пламенным горением или взрывоопасной ситуацией. Более 75% аварий, связанных с эндогенными пожарами, происходят на шахтах Кузнецкого угольного бассейна.

В отраслевых нормативных документах, регламентирующих отработку свит пологих газоносных угольных пластов, склонных к самовозгоранию, вопросы управления состоянием массива, управления газовыделением и обеспечения эндогенной пожаробезопасности решаются без комплексного учета взаимовлияния данных факторов.

Несовершенство применяемых технологических схем отработки свит пластов, склонных к самовозгоранию, способов управления газовыделением и недостаточный учет взаимовлияния сближенных пластов в ряде случаев приводит к неуправляемым притокам воздуха в выработанные пространства отрабатываемых пластов и формированию там очагов самовозгорания угля. В свою очередь, очаг самовозгорания может явиться источником воспламенения и взрыва метана, что неоднократно имело место на шахтах Кузбасса за последнее десятилетие.

Таким образом, основываясь на вышеизложенных выводах, целью настоящей работы является повышение экономической эффективности и безопасности подземной отработки свит пологих газоносных угольных пластов, склонных к самовозгоранию, на основе выбора технологических параметров их совместной отработки с учетом взаимовлияния геомеханических и газодинамических процессов на выемочных участках.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

Анализ горно-геологических и горнотехнических условий отработки свит пластов на шахтах Кузбасса.

Исследование газового режима выемочных участков при отработке свит пологих пластов, склонных к самовозгоранию, длинными столбами.

Исследование влияния параметров технологических схем на условия формирования аэродинамической связи между выработанными пространствами отрабатываемых пластов.

Разработка рекомендаций по определению параметров технологических схем при отработке свит угольных пластов.

разработанных рекомендаций.

Обоснование выбора методики проведения исследований, а также их результаты приведены в последующих главах.

2 НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГАЗОВОГО РЕЖИМА ВЫЕМОЧНЫХ

УЧАСТКОВ ПРИ ИНТЕНСИВНОЙ ОТРАБОТКЕ СВИТ ПОЛОГИХ

ПЛАСТОВ

Для исследования процессов метановыделения и распределения воздуха при использовании систем разработки длинными столбами проведены наблюдения на выемочных участках шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» и шахте «Алардинская» ОАО «ОУК Южкузбассуголь». На всех шахтах применяются системы разработки длинными столбами с подготовкой выемочных участков спаренными выработками с оставлением между ними неизвлекаемых ленточных целиков. Для анализа принимались данные, полученные на основе показаний датчиков концентрации метана, скорости воздуха, установленных в выработках выемочных участков и являющихся частью системы автоматического газового контроля.

Схема расстановки датчиков показана на рисунке 2.1. Наблюдения проводились в период с 3.09.2011 по 17.06.2012 (шахты ОАО «СУЭК-Кузбасс») и с 5.09.2011 по 17.12.2011 года (шахта «Алардинская»).

датчик метана системы автоматического газового контроля;

датчик оксида углерода системы автоматического газового контроля;

датчик скорости воздуха системы автоматического контроля расхода воздуха;

датчик контроля запыленности воздуха.

Рисунок 2.1 – Схема расстановки датчиков Также фиксировались показания датчиков концентрации метана и расхода воздуха в системах дегазации и изолированного отвода метановоздушной смеси.

Шахты ОАО «СУЭК-Кузбасс» представляют интерес, так как обеспечивают наивысшие в отрасли нагрузки на очистные забои, отрабатывая при этом склонные к самовозгоранию пласты. На шахте «Алардинская» 30.07.2010 и 25.02.2011 произошли взрывы метановоздушной смеси в выработанных пространствах угольных пластов 1 и 3-3а, источником воспламенения которой стали очаги самовозгорания угля. Детальное рассмотрение газового режима и взаимовлияния сближенных пластов, склонных к самовозгоранию, является одной из задач, решаемых в данной работе.

2.2 Исследование газового режима при отработке свиты пластов на шахтах В настоящее время ОАО «СУЭК-Кузбасс» объединяет в своем составе угольных шахт, а также три угольных разреза. Большинство шахтопластов, благоприятных для ведения горных работ с возможностью одновременной отработки не менее чем на двух пластах, расположено на полях шахт ОАО «Шахта им. С.М. Кирова», ОАО «Шахта Полысаевская», ОАО «ТалдинскаяЗападная-1», ОАО «Шахта «Комсомолец». Угли большинства шахтопластов (на шести из девяти вышеуказанных шахт) склонны к самовозгоранию. Около 50% шахтопластов с глубины 150 м относятся к угрожаемым по горным ударам. В 20случаев вмещающие породы анализируемых шахт характеризуются наличием обводненности разрабатываемых пластов с водопритоком от 5 до 160 м3/ч. Сведения об основных горно-геологических и горнотехнических условиях, характеризующих показатели работы шахт, представлены в таблице 2.2.

Как показывает анализ, наибольшие организационные и финансовые затраты, связанные с инженерной подготовкой выемочных участков на упомянутых шахтах обусловлены газовым фактором. На пяти шахтах из десяти относительная метанообильность пластов превышает 9 м3/т, что обуславливает для обеспечения высоких нагрузок на забой необходимость применения дегазации пластов-спутников как из подземных выработок, так и с помощью скважин, пробуренных с поверхности с использованием газоотсасывающих вентиляторов и передвижных поверхностных дегазационных установок (ППДУ).

В настоящее время на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс» выемку угля осуществляют 10 добычных участков. Данные о плановых и фактических нагрузках на очистные забои представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Суточные нагрузки на очистные забои Шахта им. Кирова На 4 из 10 выемочных участках среднесуточная нагрузка на очистной забой превышает 10000 т/сут. По метану 4 из 9 шахт относятся к сверхкатегорным.

Повышенные нагрузки на выемочные участки способствуют повышению метановыделения, что в свою очередь обуславливает применение мер дегазации и изолированного отвода метановоздушной смеси на выемочных участках. Данные о расходах воздуха на выемочных участках представлены в таблице 2.3.

Таблица 2.2 – Сведения об основных горно-геологических и горнотехнических условиях, характеризующих показатели работы шахт, входящих в состав ОАО «СУЭК-Кузбасс»

Таблица 2.3 – Расходы воздуха на выемочных участках шахт Шахта им.

Как видно из таблицы 2.3 фактическое количество подаваемого воздуха на выемочные участки шахт превышает расчетное. Среднее количество подаваемого воздуха на участок составляет 1561,2 м3/мин, максимальное количество воздуха для проветривания выемочного участка подается на шахте Талдинская-Западная №1 и составляет 2381 м3/мин.

В настоящее время на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс» применяются комбинированные схемы проветривания и с выдачей отработанной струи на массив. Применяемые схемы проветривания представлены на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 – Схемы проветривания выемочных участков, применяемые на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс; а) 1-К-Н-г-вт, б) 1-К-Н-в-вт, в) 1-М-Н-в-вт.

В настоящее время на 7 из 10 выемочных участков применяются комбинированные схемы проветривания с выдачей части исходящей струи через выработанное пространство, которые могут достигать 500 м3/мин и более.

представлены в таблице 2.4.

Таблица 2.4 – Показатели абсолютного метановыделения на шахтах ОАО «СУЭККузбасс»

Шахта им. Кирова Продолжение таблицы 2. Анализируя данные таблиц 2.3 и 2.4 можно сделать вывод о том, что применение только лишь средств вентиляции недостаточно для разбавления выделяющегося метана на выемочных участках до безопасных концентраций. В связи с этим, на всех шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс» применяется дегазация, которая делится на пластовую и дегазацию выработанного пространства. В случае если применение средств вентиляции в комплексе с дегазацией не позволяет дополнительной меры принимают изолированный отвод метановоздушной смеси из выработанного пространства. Применяемые способы дегазации пласта и выработанного пространства представлены на рисунке 2.3.

а) пластовая дегазация, б) дегазация выработанного пространства скажинами с поверхности, в) скважинами из штрека в купол обрушения, г) изолированный отвод метановоздушной смеси, д) сбоечные скважины, е) дегазация выработанного пространства через трубопровод в кутке вакуум-насосами.

Рисунок 2.3 – Схемы дегазации, применяемые на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс»

Данные по газовому балансу шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс», отрабатывающих склонные к самовозгоранию пласты, представлены на рисунке 2.4.

Как видно из рисунка, наиболее действенными средствами дегазации являются дегазация выработанного пространства скважинами с поверхности. На шахте Котинская с помощью поверхностных дегазационных установок удаляется до 90 процентов выделившегося метана (рисунок 2.4 в), 70% и 30% на шахтах № и им. 7-го Ноября соответственно (рисунок 2.4 г, а). Однако именно эти средства управления газовыделением способствуют большому количеству утечек в выработанные пространства действующих выемочных участков.

Неоднократно было отмечено, что применение комбинированных схем проветривания выемочных участков в комплексе с дегазацией выработанного пространства вертикальными скважинами с поверхности сказывается на эндогенной пожаробезопасности при отработке пластов склонных к самовозгоранию.

Iпов – дегазация выработанного пространства скважинами с поверхности, Iвент – вентиляция, Iпл – пластовая дегазация, Iсб – дегазация выработанного пространства сбоечными скважинами, Iкуток – дегазация выработанного пространства через куток, Iкс – вентиляция через камеру смешивания а) шахта им. 7 ноября; б) шахта им А.Д. Рубана; в) Котинская; г) №7; е) Талдинская-Западная Рисунок 2.4 – Газовый баланс шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс», отрабатывающих Шахта Котинская.

Строительство шахты «Котинская» началось в 1994 году, согласно утвержденному ТЭО инвестиций на строительство шахты «Котинская» АООТ «Киселевскуголь», проектная мощность шахты была принята на уровне 1500 тыс. т в год. Мощность шахты обеспечивалась работой одного очистного забоя, оборудованного механизированным комплексом КМ-144. Шахта введена в эксплуатацию в марте 2004 года. За этот период была проведена детальная разведка шахтного поля, получена лицензия на право пользования недрами в новых, отличных от принятых утвержденным проектом, границах, шахтой приобретен импортный высокопроизводительный очистной механизированный комплекс фирмы DВT, позволяющий в условиях шахты «Котинская» обеспечить уровень добычи до 3,0 млн. т/год. Работа шахты с применением данного комплекса показала, что возможно увеличить добычу угля, используя новое прогрессивное оборудование, схемы подготовки очистных забоев, уменьшив время перемонтажа комплекса из лавы в лаву, в дальнейшем предусматривается увеличение производственной мощности до 5000 тыс. т.

В отложениях шахтного поля залегают пять пластов угля: 53, 52, 51, 50, 49, характеристика которых приведена в таблице 2.5.

В настоящее время горные работы ведутся по пласту 52. В соответствии с лицензией на право пользования недрами в границах шахтного поля ниже пласта 52 залегают три рабочих пласта – 51, 50 и 49. Вышележащий пласт 53 отнесен к забалансовым и к отработке не предусматривается. Порядок отработки пластов нисходящий.

Согласно заключению ОАО «НЦ ВостНИИ» пласт 52 отнесен к группе весьма склонных к самовозгоранию. Инкубационный период самовозгорания углей составляет 47 суток.

Таблица 2.5 – Характеристика угольных пластов Перми-ленинская Угольные пласты участка имеют выход летучих веществ от 37,2 до 41,2% и относятся к опасным по взрываемости угольной пыли.

Согласно п. 292 «Правил безопасности...» [52] к опасным по взрывам пыли относятся пласты угля с выходом летучих веществ 15% и более, а также пласты угля с меньшим выходом летучих веществ, взрывчатость пыли которых установлена лабораторными испытаниями МакНИИ или ВостНИИ. Все угольные пласты участка имеют выход летучих веществ значительно превышающий указанный предел, и их можно отнести к опасным по взрывчатости угольной пыли.

В соответствии с Заключением ОАО «НЦ ВостНИИ» №14-2 от 29.03.2007 г.

«Об уточнении критической выбросоопасной глубины при разработке угольных пластов 52, 51, 50 и 49 в пределах поля ОАО ИК «Соколовская» шахты «Котинская» в Ерунаковском районе Кузбасса» критическая глубина появления внезапных выбросов угля и газа для пласта 52 составляет 430 м от дневной поверхности, что превышает максимальную глубину залегания пласта 52 (410 м) в рассматриваемых границах.

Согласно приказу ОАО «СУЭК-Кузбасс» №80 от 16.12.2009 г. «Об утверждении перечня и порядка отработки шахтопластов, отнесенных к угрожаемым по внезапным выбросам угля, газа и горным ударам на 2010 год», письму Южно-Сибирского управления Ростехнадзора №05-3265 от 28.12.09 г. и Заключению КП ВНИМИ № 24 от 24.11.2003 г. пласт 52 с глубины 180 м от поверхности отнесен к угрожаемым по горным ударам.

Подготовка выемочных столбов производится спаренными (конвейерным и вентиляционным) штреками, проходимыми с фланговых стволов.

Отработка выемочных столбов производится в нисходящем порядке с выемкой угля механизированным комплексом. Порядок отработки лав по пласту 52 обратный: с движением самих лав по простиранию от фланговых стволов – к основным.

Отработка пласта предусматривается системой ДСО (длинные столбы по простиранию с полным обрушением кровли). Выемка угля в лаве осуществляется механизированным способом.

Система проветривания шахты – единая, схема – фланговая, способ проветривания – нагнетательный.

Проветривание выемочного участка лавы 5208 пласта 52 предусматривается осуществлять по комбинированной схеме проветривания с изолированным отводом метановоздушной смеси из выработанного пространства при помощи поверхностных газоотсасывающих установок.

пространства при отработке выемочного участка 5208 предусматривается при помощи сбоечных скважин.

Сбоечные скважины бурятся по углю с вентиляционного штрека 5209 в выработанное пространство выемочного участка 5208. Диаметр сбоечных скважин составляет 250 мм.

Непрерывный контроль состояния рудничной атмосферы в выработках выемочного участка 5208 осуществляется аппаратурой контроля рудничной атмосферы «МИКОН-1Р». Со всех датчиков ведется непрерывный контроль с выводом информации в диспетчерский пункт к оператору АГК, с регистрацией ее в памяти компьютера, регистрацией аварийных сигналов системы, с занесением максимальных показаний концентрации газов в «Журнал почасовой регистрации».

В таблице 2.6 представлены обобщенные среднесуточные показания датчика системы аэрогазового контроля, расположенного на выходе вентиляционного штрека участка лавы 5208 в соотношении с суточными нагрузками на очистной забой за период с 01.11.11 по 30.11.11.

Таблица 2.6 – Среднесуточные показатели газовыделения на выемочном участке 5208 за ноябрь Продолжение таблицы 2. Как видно из таблицы 2.6 абсолютная газообильность выемочного участка неоднократно превышала значение в 100 м3/мин. Даже при подаче воздуха м3/мин на выемочный участок (максимальный показатель за ноябрь 2011 г.), снижение уровня загазованности выемочного участка невозможно без применения средств дегазации и изолированного отвода метановоздушной смеси.

Также необходимо отметить, что газовыделение в лаве составляет в среднем всего 10% от газообильности всего выемочного участка.

Проектом проветривания выемочного участка 5208 предусматривается применение двух способов отвода метана из выработанного пространства:

1. Дегазация выработанного пространства скважинами, пробуренными с поверхности в купол обрушения горных пород. Скважины бурятся на опережение забоя, расстояние между скважинами составляет – 50 м, отвод метана из скважин предусматривается вакуум-насосами (ПДУ). По мере перехода пробуренных скважин очистным забоем, ПДУ переносится на следующую, с производством тампонажа предыдущей скважины. Таким образом, максимальное расстояние от забоя до пробуренных с поверхности скважин (работающих) составляет 50 м, то есть ширина активно проветриваемой зоны в этом случае составляет 50 м.

2. Изолированный отвод метановоздушной смеси из выработанного пространства при помощи сбоечных скважин. В одновременной работе предусматривается иметь два куста сбоечных скважин, по две скважины в кусте.

Расстояние между кустами сбоечных скважин предусматривается 40-50 м, следовательно, глубина активно проветриваемой зоны составит 80-100 м.

(рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 – Схема дегазации выемочного участка 5208.

Среднесуточные показатели абсолютной метанообильности выработанного пространства участка 5208 за ноябрь 2011 года представлены в таблице 2.6.

Таблица 2.6 – среднесуточные показатели газовыделения в выработанном пространстве участка 5208 за ноябрь 2011 года дегазационная установка дегазационная установка дегазационная установка дегазационная установка Продолжение таблицы 2. Поверхностно- Поверхностно- Поверхностно- Поверхностнодегазационная установка дегазационная установка дегазационная установка дегазационная установка На рисунках 2.6-2.9 представлены графики добычи очистного забоя 5208, динамика газовыделения в очистном забое, в выработанном пространстве и на участке в целом.

Рисунок 2.6 – Динамика добычи выемочного участка 5208 за период с 01.11.11 по Рисунок 2.7 – Динамика газовыделения в очистном забое выемочного участка Рисунок 2.8 – Динамика газовыделения в выработанном пространстве выемочного Рисунок 2.9 – Динамика газовыделения в выработанном пространстве выемочного участка 5208 за период с 01.11.11 по 30.11. Результаты метановыделения из разрабатываемого пласта при отработке выемочного участка 5208 представлены в таблице 2.7.

Таблица 2.7 – Метановыделение на выемочном участке Анализ шахтных данных показывает, что при среднесуточной очистной добыче угля на пласте 52, превышающей соответственно 10000 тонн угля, при отклонении параметров дегазации от рекомендованных РД-05-09- отмечено превышение нормативного содержания метана в исходящем из очистной выработки потоке воздуха даже при применении газоотсасывающей вентиляторной установки.

Так как на шахте Котинская разрабатываемые пласты являются склонными к самовозгоранию, необходимо производить мероприятия по профилактике эндогенных пожаров.

выработанного пространства лавы с поверхностью в проекте проветривания выемочного участка 5208 определялась безопасная глубина ведения горных работ по пласту 52 согласно требованиям пп. 6.9 – 6.14 «Правил охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях» [96].

В пределах отрабатываемого выемочного участка лавы 5208 шахты «Котинская» пласт 52 не имеет под- и надработки.

В этом случае безопасная глубина ведения горных работ будет составлять 20 вынимаемых мощностей пласта, так как мощность пласта 52 составляет 4,3 м, безопасная глубина ведения горных работ составит 86 метров.

Глубина ведения горных работ в лаве 5208 по пласту 52 изменяется от до 370 м (больше Нбезоп), таким образом, возможность образования аэродинамической связи выработанного пространства лавы с земной поверхностью по всей длине выемочного столба маловероятна.

Однако необходимо учесть, что в перспективе шахта Котинская планирует переход на нижележащие (пласт 51) сближенные пласты, что в свою очередь создаст благоприятные условия для формирования аэродинамических связей в междупластье отрабатываемого пласта и выработанными пространствами пласта 52. Также необходимо учесть, что в нормативной методике определения безопасной глубины ведения горных работ учитываются лишь горногеологические факторы, такие как мощность вынимаемого пласта, количество пластов, находящихся в одновременной отработке, а также наличие глинистых пород в кровле разрабатываемых пластов; горнотехнические факторы, технологические параметры схем подготовки и отработки выемочных участков не учитываются.

2.2 Исследование газового режима при отработке свиты пластов на шахте Филиал «Шахта «Алардинская» ОАО «ОУК «Южкузбассуголь» осуществляет разработку месторождений каменного угля, расположенного на двух районах – Алардинском и Малиновском (до июня 2008 года). На основании Протокола №31/2007-ТС ОАО «ОУК «Южкузбассуголь» от 13.12.2007г. для увеличения объёма угля марки К филиалу «Шахта «Алардинская» в 2008 году взамен выбывшей лавы по пласту 21, осуществлен переход горных работ с пласта 21 Малиновского района на пласт 6 Алардинского района.

Протяженность шахтного поля: по простиранию – 10,2 км, вкрест простирания – 4,0 км. Площадь – 3803,0 га.

В разрезе угленосных отложений месторождения вскрыто до 34 пластов угля, в том числе 16 рабочей мощности. По местному делению они разделены на Нижнюю и Верхнюю группу. К нижней группе относятся следующие пласты: 14а;

16; 17; 19; 20; 21; 21а; 23; 24; 27; 28; 29; 30. Из них наиболее пригодны к отработке пласты: 14а; 16; 17; 21; 23; 29.

К верхней группе относятся следующие пласты: 1; 3-3а; 6; 7; 9; 9а; 11а; 11;

12. Наиболее пригодны к отработке пласты: 1; 3-3а; 6; сближенные пласты 7-9-9а;

11.

Пласты нижней группы в основном от весьма тонких до средней мощности (0,4-2,0 м) и только пласты 21, 23, 29 – мощные (3,5-8,5 м). Коэффициент угленосности 11-13%.

Пласты Верхней группы в основном средней мощности и мощные (1,3-10, м). Коэффициент угленосности 19,4-20,3%.

Многие мощные пласты имеют тенденцию в западном (от VII) и в восточном (от XIII разведочной линии) направлениях расщепляться на более мелкие.

Стратиграфическая колонка рассматриваемого участка представлена на рисунке 2.10.

Строение пластов чаще всего сложное для пластов весьма тонких и тонких;

средней мощности пласты имеют в основном простое строение. Пласты сложного строения включают от 2 до 6 породных прослоев суммарной мощности до 1,5 м.

Прослои представлены в основном углистым алевролитом, реже алевролитом. В пластах угля имеются включения линз "колчедана" размером до 0,8x0,6x0,Зм.

По состоянию на 01.01.2010 года балансовые запасы угля шахты составили 544, млн. тонн, промышленные 350,1 млн. тонн. Основные промышленные запасы шахты сосредоточены по пластам 6, 3-3а, 3а и 21.

Рисунок 2.10 – Усредненная стратиграфическая колонка шахты «Алардинская»

Установленная производственная мощность шахты в соответствии с утвержденными техническими проектами составляет 3000 тыс. тонн в год.

Фактическая добыча угля по шахте в течение 2000-2010 г. (тыс.т.) в среднем составляла 2000-2200 тыс. тонн/год при крайних значениях 1172 тыс. тонн/год в 2003 году и 3220 тыс. тонн в 2006 году. Участок Малиновский выбыл из общей добычи в 2008 году. Добыча обеспечивается одновременной работой 2 лав и 6- проходческими забоями. В 2011 году очистные и подготовительные работы ведутся на пластах 6 и 3-3а.

Пласт сложного строения, содержит от 1 до 3 прослойков углистого алевролита и алевролита суммарной мощностью до 0,3 м. Мощность пласта 1,5м. Уголь пласта полублестящий, полосчатый за счет переслаивания блестящих и матовых разностей. По своим качественным показателям характеризуется: Аd = 13,5-16,7%, Vd = 16,3-23,2%, Wp = 2,2-6,7%, = 1,33-1, т/м3, марка угля К, ОС. Природная газоносность 8,5-14,5 м3/т. С глубины метров пласт опасен по горным ударам и угрожаемый по выбросам угля и газа.

Пласт отнесён к склонным к самовозгоранию. На данной площади пласт отработан.

Залегает в 40-47 метрах ниже пласта 1. Пласт сложного строения, содержит от 2 до 4 прослойков углистого алевролита и алевролита суммарной мощностью до 0,5-0,7 м. Мощность пласта 7,5-9 м. Уголь пласта полуматовый, полосчатый за счет переслаивания матовых и блестящих разностей. По своим качественным показателям характеризуется: Аd = 14,5-23,8%, Vd = 14,5-19,4%, Wp = 2,1-5,5%, = 1,38-1,41 т/м3, марка угля ТС. Природная газоносность составляет 10-15 м3/т. С глубины 300 метров пласт опасен по горным ударам и угрожаемый по выбросам угля и газа. Пласт отнесён к весьма склонным к самовозгоранию с инкубационным периодом 45 суток.

Залегает в 31-22 метрах ниже пласта 3-3а. Пласт сложного строения, содержит от 3 до 6 прослойков углистого алевролита и алевролита, песчаника, суммарной мощностью до 0,6 м. Мощность пласта 8-9,8 м. Уголь пласта матовый, полосчатый за счет переслаивания матовых и блестящих разностей. По своим качественным показателям характеризуется: Ad = 14,4-19,9%, Vd = 14,9-19,0%, Wp = 2-5,9%, = 1,37-1,42 т/м3, марка угля КС, ТС. Природная газоносность составляет 11-17 м3/т. С глубины 150 метров угрожаемый по горным ударам, с глубины 300 метров пласт угрожаемый по выбросам угля и газа. Пласт отнесён к склонным к самовозгоранию с инкубационным периодом 61 сут.

«Проектом вскрытия и подготовки гор. ±0м шахты...» предусматривалась отработка пластов 3-3а и 6 в 2 слоя. Порядок отработки верхних слоёв лавами в нисходящем порядке, отработка второго слоя принимается в восходящем порядке.

На шахте приняты две системы разработки:

- для тонких и средней мощности пластов от 0,9 до 4,0 м принята система длинными столбами по простиранию (ДСО);

- для мощных пластов угля от 5,5 до 10,0 м принята система наклонные слои (НСО) с самостоятельной выемкой каждого слоя и оставлением пачки угля в кровле II слоя.

Разработка всех пластов ведется по целиковой схеме. Штреки проводятся с оставлением межлавных целиков от ранее отработанных лав. Штреки по нижним слоям мощных пластов проводятся в присечку или с оставлением целика от 0,5 до 5,0 м со штреками ранее отработанных лав. Пласт 1 был отработан без оставления целиков, что привело к образованию большепролетного выработанного пространства более 680 метров.

Отработка лав ведется с полным обрушением пород кровли в выработанное пространство. Размеры выемочных участков зависят от гипсометрии, мощности пласта и расстояния между уклонами, ограничивающими поле. Длина лав по падению изменяется от 200 до 220 м, а по простиранию от 850 до 2100 м.

Междупластье пластов 1 и 3-3а составляет 33-60 м, пластов 3-3а и 6 – 28-40 м. Сближенное залегание предопределяет взаимное влияние пластов при их отработке, которое выражается в виде формирования зон повышенного горного давления при отработке вышерасположенных пластов с оставлением межлавных целиков и разрушении этих целиков при последующей отработке ранее надработанных пластов, а также формировании аэродинамической связи между выработанными пространствами пластов.

Кроме того, сближенное залегание пластов, приводит к формированию зон предельного состояния в межлавных целиках пластов 3-3а и 6 к моменту отработки запасов пласта 6 на аварийном участке, в результате расположения целиков по пласту 6 под целиками пласта 3-3а в зоне ПГД и воздействия на них, в этой связи, напряжений, существенно превышающих пределы прочности угля.

Следствием чего является разрушение краевых частей целиков с формированием концентрированных потерь угля и высокая вероятность перехода всего целика в предельное состояние с нарушением его изоляционных функций.

Отрабатываемые шахтой «Алардинская» пласты 3-3а и 6 относятся к весьма склонным и склонным к самовозгоранию соответственно, что предопределяет необходимость выполнения целого ряда требований нормативных документов, направленных на предотвращение возникновения эндогенных пожаров, что в конечном итоге существенно ограничивает возможность применения известных эффективных технико-технологических решений, существенно усложняет применяемые технологические схемы и приводит к значительному повышению себестоимости добываемого угля.

Природная газоносность пластов закономерно увеличивается с глубиной.

До глубины 45-100 м от поверхности коренных пород выделяется зона газового выветривания, принятая по величине природной газоносности до 5 м3/т с.б.м.

Затем, в пределах глубин 100-150 м происходит интенсивное увеличение природной газоносности – до 10-12 м3/т с.б.м, далее нарастание газоносности происходит более медленно и на горизонте ±0 м абс. по верхним пластам 1- природная газоносность достигает 14-15 м3/т с.б.м.

Таблица 2.8 – Природная газоносность угольных пластов Горизонт В целом, тектоническое строение поля шахты довольно простое, однако наличие ряда дизъюнктивных нарушений при отработке пластов склонных к самовозгоранию является значимым фактором, повышающим вероятность измельчением и высокой химической активностью угля в зонах геологических нарушений.

Способ проветривания шахты нагнетательно-всасывающий, схема проветривания комбинированная, система проветривания – единая.

предусматривается комбинированная схема проветривания (рисунок 2.11 а) с изолированным отводом метана из выработанного пространства по газодренажным выработкам при помощи газоотсасывающей установки УВЦГ-15 (одна в работе, одна в резерве), установленной на поверхности (устье флангового бремсберга 3/3). Расчетный расход воздуха для проветривания лавы 6-1- составляет 2656 м3/мин, фактически поступает 2900 м3/мин. Лава 3-32 и проветриваются исходящей струей воздуха с подготовительного забоя насосная камера гор. - 300м.

Для лавы 3-32 предусматривается комбинированная схема проветривания (рисунок 2.11 б) с изолированным отводом метана из выработанного пространства по газодренажным выработкам при помощи газоотсасывающей установки УВЦГ-15 (одна в работе, одна в резерве), установленной на поверхности (устье флангового бремсберга 2/3). Расчетный расход воздуха для проветривания лавы 3-32 составляет 3495 м3/мин, фактически поступает м3/мин.

Рисунок 2.11 – Схемы проветривания выемочных участков на шахте Алардинская: а) лава 6-1-14 пласта 6; б) лава 3-32 пласта 3-3а.

Применяемая схема, предусматривающая отвод метановоздушной смеси через выработанное пространство всего выемочного столба, приводит к образованию потоков воздуха через концентрированные потери разрушенного угля, обладающего высокой химической активностью, на протяжении всего срока отработки выемочного столба, как правило, существенно превышающего инкубационный период самовозгорания угля.

Кроме того, высокая пожароопасность схем проветривания выемочных участков с изолированным отводом метана из выработанного пространства с помощью газоотсасывающих установок, применяемых в горно-геологических условиях шахты «Алардинская», подтверждается целым рядом действующих нормативных документов:

в соответствии с пунктом 6.1 раздела 6 «Инструкции по применению схем проветривания выемочных участков угольных шахт с изолированным отводом метана из выработанного пространства с помощью газоотсасывающих установок» ( г.) “выемочные участки, отрабатывающие склонные и весьма склонные к самовозгоранию шахтопласты угля с применением схем проветривания с изолированным отводом метана из выработанного пространства, имеют высокую эндогенную пожароопасность” [63];

в соответствии с пунктом 2.3.9. «Инструкции по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса»: “оценку прямоточных и комбинированных схем проветривания выемочных столбов с отводом метана через выработанное пространство по фактору эндогенной продолжительности инкубационного периода самовозгорания угля (tинк, сут) в соответствии с п. 5.2.5 «Руководства по проектированию вентиляции угольных пожароопасной …” [102] (для пластов 3-3а и 6 в условиях шахты «Алардинская»

tпер/tинк 1).

Таким образом, применяемая в настоящее время на шахте «Алардинская»

комбинированная схема проветривания выемочных участков с изолированным отводом метановоздушной смеси через выработанное пространство всего выемочного столба характеризуется высокой эндогенной пожароопасностью.

«Южкузбассуголь» произошли взрывы метановоздушной смеси в изолированных выработанных пространствах угольных пластов 1 и 3-3а, которые показали неэффективность применяемых на шахте способов и средств управления исключают формирование очагов самовозгорания угля. Возможности управления газовыделением средствами вентиляции, дегазации и изолированного отвода метановоздушной смеси (МВС) неразрывно связаны с пространственнопланировочными решениями по вскрытию и подготовке шахтных полей, подготовке выемочных участков, принятым порядком и последовательностью отработки выемочных участков и пластов в свите. Накопленный опыт отработки газоносных пластов, склонных к самовозгоранию позволил сформировать ряд требований к техническим решениям для обеспечения безопасной отработки таких пластов, нашедших отражение в действующих отраслевых нормативных документах [62, 85, 102].

Так, «Инструкцией …» [62] предписывается вскрытие, подготовку и разработку пластов угля, отнесенных к категории склонных и весьма склонных к самовозгоранию, производить через полевые выработки (п. 2.1.2); уклонные поля отрабатывать, как правило, в восходящем порядке (п. 2.1.12), в случае отработки столбов по простиранию в нисходящем порядке по бесцеликовой схеме предусматривать через два столба оставление барьерных столбов с последующей их отработкой. Также запрещается оставлять в выработанном пространстве целики угля, не предусмотренные проектом (п. 2.2.4). Отработку выемочных столбов в уклонном поле при пластовой подготовке проводить в восходящем порядке с подачей свежей струи воздуха в нижнюю точку уклона для организации бремсберговой схемы проветривания (п. 2.3.10).

Анализ планов горных выработок по пластам 1, 3-3а и 6 в поле шахты «Алардинская» показал несоответствие пространственно-планировочных решений, последовательности отработки выемочных участков указанным требованиям.

Отработка трех смежных участков по пласту 1 по бесцеликовой схеме привела к формированию большепролетных выработанных пространств, размером 680 метров, что существенно затрудняет возможность контроля пожароопасности, особенно при наличии аэродинамической связи с выработанными пространствами сближенных пластов.

На пласте 3-3а между выемочными участками 3-1-24; 3-1-26 и 3-1- оставлены целики угля клиновидной формы шириной до 38 м, которые также прорезаны сбойками. Целик между участками 3-1-24 и 3-1-26 в районе промежуточной печи 3-1-26 наряду со сбойкой дополнительно прорезан вентиляционным штреком 3-1-26, что привело к образованию со стороны выемочного участка 3-1-26 клиновидного участка целика шириной до 12 м и длиной 160 м с высокой вероятностью его разрушения.

На пласте 6 выемочные участки 6-1-10; 6-1-12 и 6-1-14 разделены целиками угля, но незначительная мощность междупластья наряду с отработкой пластов с полным обрушением кровли приводит к формированию аэродинамической связи между выработанными пространствами пластов 1, 3-3а и 6, что не позволяет рассматривать эти целики в качестве надежного барьера для распространения пожара.

Руководством по проектированию вентиляции [102] предъявляется ряд требований к схемам проветривания выемочных участков при отработке пластов, минимальную ширину проветриваемой призабойной зоны выработанного продолжительности инкубационного периода самовозгорания угля. При отработке пластов, склонных к самовозгоранию, при газообильности выемочного участка выше 3 м3/мин необходимо применять схемы типа 3-В-Н-н-пт (п. 5.2.2.) при условии надежной изоляции выработанных пространств. Использование комбинированных схем проветривания с изолированным отводом МВС через выработанное пространство (выемочный участок 6-1-14) предполагает движение метановоздушной смеси через выработанное пространство в течение всего периода его отработки (более 9 мес.), что значительно превышает инкубационный период для отрабатываемых пластов. Создаваемая газоотсасывающим вентилятором 2УВЦГ-15 депрессия формирует направление движения утечек воздуха через выработанное пространство к вентилятору, что делает практически концентрации индикаторных газов в контрольных точках.

Таким образом, сближенность пластов, наличие подвергшихся под- и (или) надработке целиков угля, оставленных неотработанными сломи угля на пластах 3-3а и 6, также подвергшихся под- и (или) надработке, непогашенные горные выработки на пластах в сочетании с аэродинамической связью между выработанными пространствами по пластам создают реальные предпосылки для формирования очагов самовозгорания угля.

В акте технического расследования причин аварии, происшедшей 30.07.2010 [4] отмечается, что расчетный расход воздуха для проветривания шахты составляет 21949 м3/мин при фактической подаче воздуха в шахту – 28770 м3/мин. Производительность вентилятора TAF 45,2 по расчету должна составлять 18877 м3/мин, фактически составляет 24760 м3/мин. Внешние утечки воздуха по шахте составляют 1660 м3/мин, внутренние утечки – 1460 м3/мин.

газовоздушной смеси через выработанное пространство с помощью газоотсасывающей установки 2УВЦГ-15, расположенной на скважинах (поверхность). Расчетный расход воздуха для проветривания лавы 6-1- составляет 2790 м3/мин, фактически поступает 3180 м3/мин.

Схема проветривания лавы 3-33 комбинированная с отводом газовоздушной смеси через выработанное пространство с помощью газоотсасывающей установки 2УВЦГ-15, расположенной на устье конвейерной штольни 3-3а (поверхность).

Расчетный расход воздуха для проветривания лавы 3-33 составляет 1936 м3/мин, фактически поступает 2020 м3/мин.

На поверхности смонтирована мобильная дегазационная установка PGN Lennetal-229, обеспечивающая дегазацию угольных пластов Алардинского района.

По данным моделирования вентиляционной сети, по изолированному конвейерному уклону 1/1 в районе конвейерного штрека 1-48 проходило около 10 м3/мин воздуха, по погашенному вентиляционному штреку 1-48 проходило 2 м3/мин газовоздушной смеси. В выработанных пространствах пласта 3-3а существует высокая депрессия под действием газоотсасывающих вентиляторов, установленных на конвейерной штольне, работа которых оказывает воздействие на выработанные пространства пласта 1. Это приводит к увеличению утечек через перемычки и делает проблематичным создание инертной среды в выработанном пространстве пласта 1. При мощности междупластья 20 м и вынимаемой мощности по нижележащему пласту 3-3а до 4,5 м между пластами с высокой степенью вероятности образуется устойчивая аэродинамическая связь, а утечки воздуха с пласта 1 на пласт 3-3а могут обеспечить пожароопасные скорости фильтрации воздуха через скопления угля.