Вся электронная библиотека >>>

Содержание книги >>>

 

ВЫСШЕЕ ГОРНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Шахтное и подземное строительство


Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

 

Часть III. ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ И НАКЛОННЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

СТРОИТЕЛЬСТВО ВЫРАБОТОК В СЛОЖНЫХ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

 

 

К сложным газодинамическим условиям относят газонасыщенные породные массивы, склонные к внезапным выбросам угля, породы, газа, и удароопасные породы.

Рассмотрим сначала способы воздействия на массив и организационно-технические мероприятия, наиболее часто применяемые при строительстве выработок в выбросоопасных породных массивах.

Основными из этих способов являются: низконапорное увлажнение пласта, дегазация призабойной части пласта, гидровымывание опережающих полостей, гидрорыхление, торпедирование призабойной части пласта, образование разгрузочных щелей и гидроотжим угольного пласта.

Способ увлажнения угольного пласта основан на нагнетании в него воды через скважины диаметром 45—60 мм непосредственно перед вскрытием. Число скважин и схема их расположения зависят от мощности пласта и угла падения.

При вскрытии тонких и средней мощности крутых пластов нагнетание воды производят через 5—6 скважин, схема расположения которых показана на  15.13. В середине забоя по оси квершлага бурят контрольную скважину (К.с.) диаметром 100-250 мм.

При вскрытии тонких и средней мощности пологих пластов нагнетание воды в пласт осуществляют через серии скважин / по мере подвигания забоя, схема расположения которых показана на  15.14. При этом неснижаемое опережение обработанной части угольного массива должно быть не менее 4 м.

При вскрытии мощного крутого пласта из забоя квершлага бурят одну горизонтальную увлажнительную скважину, пересекающую пласт на всю мощность.

При вскрытии мощных пологих и наклонных пластов для увлажнения угольного массива бурят несколько скважин. Если протяженность квершлага по углю составляет более 40—50 м, то увлажняют только часть угольного массива до входа квершлага в пласт, а дальнейшее проведение квершлага осуществляют с применением способов предотвращения выбросов, предусмотренных для подготовительных выработок.

 

Нагнетание воды осуществляют последовательно в каждую из скважин до тех пор, пока вода не проникнет в соседнюю и контрольную скважины (на крутых пластах). Количество воды, закачиваемой в скважину, определяют в зависимости от объема увлажнения одной скважиной. При этом следует иметь в виду, что радиус увлажнения от одной скважины колеблется в пределах 10-12 м, норма подачи воды на 1 т обрабатываемого угля равна 0,04 м3.

Контроль за эффективностью увлажнения производят после подачи в скважины расчетного количества воды на основании определения влажности угля по нормам и пробам, отбираемым при пересечении пласта. Увлажнение считается эффективным при влажности угля не менее 5%.

Дегазация скважинами может быть осуществлена с применением скважин малого (до 100 мм) и большого (до 300 мм) диаметра.

Скважины малого диаметра используются для снижения давления газа до безопасного (менее 1 МПа) за счет естественной дегазации. Практика вскрытия выбросоопасных пластов с применением естественной дегазации показала, что естественное газовыделение из скважин является незначительным и требует больших сроков на снижение давления газа до безопасных пределов.

Более эффективным способом дегазации и разгрузки является применение скважин большого диаметра, при бурении которых уменьшаются напряжения в массиве угля впереди забоя выработки, газ дренирует через скважины, и снижается его давление.

Контроль за степенью дегазации пласта в месте вскрытия его выработкой производят путем измерения давления газа.

К выполнению работ по обнажению и пересечению пласта приступают в том случае, если давление газа снизилось до величины менее 1 МПа.

На мощных пологих пластах способ вскрытия дегазационными скважинами часто применяют в сочетании с гидроразмывом пласта через скважину, пробуренную по оси вскрывающей выработки, при давлении нагнетания воды 10—16 МПа.

При вскрытии тонкого пласта пологого залегания () бурят одну серию скважин с таким расчетом, чтобы пласт был пересечен ими на полную мощность. Скважины располагают рядами. Число скважин в ряду и число рядов определяют в зависимости от радиуса дренирования одной скважины, поперечного сечения ствола и площади, подлежащей дренированию. Точки выхода из пласта скважин первого ряда находятся со стороны восстания пласта на расстоянии 3 м от проекции контура ствола в проходке, а точки выхода из пласта скважин последнего ряда находятся со стороны падения пласта по линии, проходящей через проекцию контура ствола в проходке.

К выполнению работ по вскрытию пласта приступают после прекращения газовыделения из скважин или его снижения до стабильного минимума. Дебит скважин замеряют газосчетчиком или ротаметрами, которые подключают к скважине.

При вскрытии тонких крутых пластов с углом падения до 55° через породную коробку бурят одну серию дренажных скважин, которая служит для обнажения и пересечения пласта. С увеличением угла падения применение одной серии дренажных скважин означало бы существенное увеличение длины скважин по породе. Поэтому для сокращения объема буровых работ вскрывать тонкие крутые пласты с углом падения свыше 60° наиболее целесообразно лишь частью сечения ствола под защитой одной или двух серий дренажных скважин диаметром 70—100 мм, пробуренных через породную пробку. Пересечение пласта в этом случае выполняют под защитой дренажных скважин диаметром 150 мм и более, пробуренных из забоя ствола (см.  15.15, б).

В отдельных случаях может быть применен вариант вскрытия пласта с использованием дополнительной горизонтальной вскрывающей выработки и дренажных скважин, пробуренных по пласту угля из этой выработки (см.  15.15, в). Горизонтальную вскрывающую выработку проходят из забоя ствола, остановленного на расстоянии 2 м от пласта по нормали. Вскрытие пласта дополнительной выработкой выполняют с соблюдением всех мер безопасности.

Вскрытие мощных крутых пластов (их обнажение и пересечение) производят под защитой двух и более серий дренажных скважин (см.  15.15, г). Скважины первой серии, используемые для обнажения пласта, располагают по той же схеме, что и для тонких пластов, однако параметры скважин определяют для глубины, соответствующей полному обнажению пласта забоем.

Предотвращение выбросов угля и газа гидрорыхлением угольного пласта применяют в выработках на пластах тонких и средней мощности, если возможно обеспечить бурение и герметизацию скважин на заданную глубину. Сущность способа заключается в том, что в направлении проведения выработки бурят скважины ограниченной длины. Средствами герметизации перекрывают находящуюся непосредственно у забоя зону интенсивной трещиноватости угля, а за ее пределы в область запредельного деформирования нагнетают воду под высоким давлением. Она производит дополнительное рыхление пласта, сопровождающееся интенсификацией дегазации.

Гидрорыхление считают законченным при одновременном выполнении следующих условий: появление воды на плоскости забоя; снижение давления в высоконапорном трубопроводе не менее чем на 30% от установившегося (расчетного), при котором производилось нагнетание; подаче в скважину не меньше расчетного количества воды.

Способ считают эффективным, если после его применения величина зоны разгрузки превышает ширину вынимаемой полосы угля за цикл не менее чем на 1 м.

Указанный способ предотвращения внезапных выбросов угля применяют как при комбайновом, так и при буровзрывном способе выемки породы.

Замер смещения пласта осуществляют с помощью забивных реперов, располагаемых посередине между шпурами.

Для герметизации шпуров используют шланговые гидрозатворы. Нагнетание воды в пласт начинают плавным повышением давления до максимального и продолжают до тех пор, пока давление не снизится до конечного. После этого отключают насос и приступают к осмотру забоя.

Технологию выполнения гидроотжима угольного пласта в конкретных условиях и ее контроль регламентирует специальная инструкция.

Обработку пласта гидроотжимом считают эффективной, если выдвигание угольного забоя составит 0,02 /гш, давление нагнетаемой воды снизится до Рш и произойдет выход воды на забой на границе обрабатываемой шпуром зоны.

Вскрытие угольного пласта квершлагами с гидровымыванием угля применяют при наличии мягких пачек с коэффициентом крепости угля/= 1 и боковых породах средней устойчивости.

Вымывание полостей впереди забоя производят с помощью воды, нагнетаемой под давлением 15 МПа, при расходе не менее 30 л/мин, через скважины диаметром 105—200 мм. Количество скважин колеблется в пределах 3—9 в зависимости от площади сечения выработки и принятой технологии гидровымывания.

Контроль за эффективностью и качеством гидровымывания осуществляют по снижению давления газа в контрольных скважинах до значений менее 1 МПа. Перед началом производства взрывных работ вымытые полости заполняют водой, песчано-цементным раствором, песком или инертной пылью.

Сущность способа образования разгрузочных щелей во вмещающих пласт породах состоит в управлении процессом высвобождения энергии из угольного пласта до таких величин, при которых она была бы значительно меньше работы по его разрушению. Этого достигают за счет образования сплошных разгрузочных щелей в непосредственной близости пласта ( 15.17). На участке пласта, расположенном под или над полостью, происходит его разгрузка, вследствие чего потенциальная энергия пласта снижается и не превышает работы, необходимой для разрушения угля, что гарантирует предотвращение выбросов во время выемки угля на этом участке на определенную глубину. Данным способом можно проводить горизонтальные и наклонные выработки в выбросоопасных пластах смешанными забоями, комбайнами избирательного действия и с помощью буровзрывных работ.

При комбайновом способе проведения выработки (см.  15.17) разгрузочную полость / создают с помощью проходческих комбайнов, оснащенных стреловыми исполнительными органами (4ПП-2, ПК-9Р, 4ПП-2Щ), при этом высота полости не ограничена. Между угольным пластом и полостью оставляют предохранительный породный слой 2 толщиной не менее 0,5 м, который исключает случайное внедрение рабочего органа в неразрушенную зону пласта. Выемку породы в полости производят в направлении от кровли выработки к угольному пласту.

Многочисленные экспериментальные исследования в шахтных условиях показали, что при комбайновой проходке для обеспечения безопасности работ максимальное неснижаемое опережение должно быть равно 1 м в направлении подвигания забоя выработки и 0,6 м — в боках выработки. Для пластов невысокой степени опасности по выбросам при применении разгрузочных полостей допускается уменьшение величины опережения до 0,5 м.

При проведении выработок буровзрывным способом повы-бросоопасным песчаникам разгрузочные щели могут быть созданы во вмещающих породах с помощью выбуривания их специальными установками типа УЩ-10.

Средняя трудоемкость противовыбросных мероприятий составляет 25% общей трудоемкости проходческого цикла; при их осуществлении запрещено выполнение других работ, что приводит к значительным потерям рабочего времени.

Способ образования разгрузочных пазов по угольному забою основан на отделении части угольного массива, равной ширине выработки, от общего угольного массива пазами по углю, располагаемыми вдоль боков проектного контура выработки. Эти пазы обеспечивают эффективную дегазацию призабойной части пласта и формирование такой зоны разгрузки, которая позволяет безопасно выполнять работы по выемке угля. В особо опасных зонах при ширине выработки более 3,5 м необходимо образовывать третий паз в середине пласта.

Ширина паза должна быть не более 60 мм, высота равна мощности пласта, глубина — 2-2,5 м, расстояние неснижаемого опережения — не менее 0,5 м, а в особо опасных зонах — не менее 1 м. Плоскость паза должна быть перпендикулярна почве пласта. Пазы должны быть расположены на расстоянии не более 0,5 м от «кутка» угольного забоя.

Торпедирование призабойной части угольного пласта заключается во взрывании зарядов в наиболее опасной зоне — зоне опорного давления, находящейся на глубине 5—8 м от забоя. В результате взрывания в зоне происходит значительное трещинообразова-ние, уменьшение крепости угля и давления газа в пласте, что способствует снижению напряженного состояния призабойиого массива, а следовательно, вероятности возникновения выброса.

Заряд ВВ размещают в камерах диаметром не более 80 мм и длиной от 7 до 20 м. Скважины бурят с таким расчетом, чтобы ширина обработанной зоны по бокам выработки составляла не менее 4 м. Взрывание зарядов при торпедировании осуществляют в один прием. Торпедирование производят в режиме сотрясательного взрывания.

Рассмотренный способ является трудоемким и пока применяется в опытном порядке.

Из организационно-технических мероприятий рассмотрим два: применение металлической каркасной крепи и заградительных перемычек.

Первое из них состоит в том, что, не доходя до выбросоопасного пласта на 2—2,5 м, проходческие работы останавливают и устраивают металлический   каркас  (  15.19). Для возведения каркаса из забоя квершлага через породную толщу по контуру забоя, исключая подошву, через 0,3 м пробуривают скважины диаметром 65—80 мм. В скважины на всю глубину вводят толстостенные трубы / диаметром 50 мм. При вскрытии особо опасных пластов в верхней части их устанавливают два ряда труб. Под концы труб возводят металлическую арочную раму 2, которую анкерами 3 скрепляют с боковыми породами.

Вскрытие пласта под каркасом производят с применением сотрясательного взрывания.

При вскрытии пластов мощностью свыше 2 м для устройства каркаса применяют трубы диаметром более 50 мм, рельсы и металлические балки. При крепких углях устанавливают однорядный каркас с расстоянием между скважинами 0,4 м, при слабых углях — двухрядный с расстоянием между скважинами в ряду 0,4 м, а между рядами скважин — 0,3 м. При двухрядном каркасе скважины располагают в шахматном порядке.

Локализация выбросов угля и газа путем возведения заградительных перемычек заключается в том, что на расстоянии 3— 3,5 м от забоя устанавливают заградительную перемычку, а взрывными работами разрушают только часть пород в сечении выработки ( 15.20). Взорванная и выносимая выбросом порода не отбрасывается, а заполняет пространство до перемычки, тормозя развитие выброса.

Для возведения заградительной перемычки кольца из канатов подводят под стойку арки в момент ее установки или подвязывают к ним после установки.

Параметры канатной перемычки следующие: расстояние от почвы выработки до нижнего каната — 0,5-0,6 м; между канатами — 0,15— 0,2 м; расстояние от верхнего каната до кровли выработки — 0,6—0,7 м. Диаметр канатов для перемычки — 22-25 мм, для колец — 18-20 мм, диаметр шплинтовочного каната — 59 мм.

Заградительные перемычки применяют при проведении выработок в зонах высокой степени выбросоопасности. В случае необходимости перемычки могут быть установлены в несколько рядов.

Предотвращение горных ударов осуществляют путем снижения горного давления или способности пласта угля к накоплению энергии. Снижению горного давления способствует выбор правильной системы разработки, что включает в себя опережающую отработку защитного пласта, ведение горных работ без целиков угля на всех пластах свиты и сокращение изрезанности пласта угля выработками.

Снижения способности пласта угля к накоплению энергии достигают камуфлетным взрыванием или нагнетанием воды в пласт.

Камуфлетное взрывание как способ борьбы с горными ударами может применяться в трех видах: собственно камуфлетное, сотрясательное и камуфлетно-сотрясательное взрывание. При строительстве выработок наиболее часто прибегают к собственно камуфлетному взрыванию. Схема размещения шпуров для камуфлетного взрывания приведена на  15.21.

В стенках выработки / под углом 70—90° бурят шпуры 2 диаметром 42 мм на расстоянии не более 1,5-2 м друг от друга. Длину шпуров выбирают в зависимости от ширины защищаемой зоны. Из забоя выработки 3 бурят шесть шпуров в глубь массива. Крайние шпуры при этом выходят за проектное сечение выработки на 1-2 м. Коэффициент заполнения скважины ВВ принимают равным 0,5. С уменьшением расстояния между скважинами возрастает эффективность камуфлетного взрывания и наблюдается уменьшение машинного времени бурения 1 м шпура в среднем на 8,5—10,5% по сравнению с бурением по нетронутому массиву.

Как и всякий другой дополнительный вид работ в проходческом цикле, камуфлетное взрывание приводит к удорожанию стоимости строительства 1 м выработки. При этом увеличение затрат от производства камуфлетного взрывания зависит от глубины скважин.

Меры защиты от последствий горных ударов включают в себя применение специального режима ведения горнопроходческих работ на основе прогноза горных ударов (режим ведения буровзрывных работ, дистанционное управление проходческими машинами, безлюдная выемка угля) и собственно ме р ы по защите выработок (проведение выработок широким ходом и изменение характера их эксплуатации). Этот круг мер направлен не на то, чтобы предотвратить возникновение горных ударов, а на то, чтобы обезопасить людей в случае, если удар произойдет.

В горной практике в настоящее время наиболее широкое распространение получила проходка горных выработок широким ходом с двусторонней раскоской, которую заполняют породой и кострами (эта породная подушка гасит силу удара и сохраняет выработку от разрушения).

Строительство выработок в газонасыщенных породах осложняется суфлярными выделениями газа и существенно сказывается на темпах и безопасности горнопроходческих работ.

В связи с этим работы по строительству горных выработок должны предусматривать способы, направленные на предотвращение или ликвидацию  поступления   газа в проводимые выработки.

К основным из этих способов относятся: надработка или подработка пластов, опасных по суфлярному выделению газа, предварительная дегазация и каптаж суфляров.

Надработка или подработка угольного пласта приводит к снижению в нем напряжений, раскрытию природных трещин и уменьшению давления газов, что устраняет на нем суфлярные выделения геологического, а иногда и эксплуатационного характера, или в значительной мере снижает их интенсивность. Она является эффективным способом предотвращения суфляров.

Сущность способа надработки или подработки заключается в следующем ( 15-22). Вскрытие пласта 2, опасного по суфлярному выделению газа, или проведение в нем выработки осуществляют в защищенной зоне за счет надработки защитного пласта /. При этом забой защитного пласта У должен находиться от забоя квершлага 3 на расстоянии L, не меньшем толщи пород /г, заключенной между защитным и суфля-роопасным пластами.

Целью де газа ци и угольных пластов и вмещающих пород является снижение количества метана, поступающего в выработку. Для этого из забоя выработки бурят в зону трещиноватых пород дегазационные скважины диаметром 50-150 мм и длиной 25—50 м. Скважины должны по возможности пересечь как можно больше трещин в пласте и породном массиве и выходить за контур сечения выработки. Скважины бурят через задвижку и сальниковое уплотнение. В устье скважины вставляют обсадную трубу, заделываемую в нем при помощи цементной пробки. Из скважины газ отводят по газопроводу в выработку с исходящей струей или в выработанное пространство.

При вскрытии крутого пласта / с пористыми и трещиноватыми вмещающими породами ( 15.23) на расстоянии 3-5 м от забоя бурят пять-шесть скважин 2 так, чтобы они пересекали пласт по окружности в том месте, где будет проходить квершлаг 3.

При вскрытии наклонных и пологих пластов ( 15.24) по бокам выработки 4 устраивают ниши 3 на расстоянии 15-20 м друг от друга. Размер ниш зависит от габаритов бурового инструмента. Из ниш под углом 5-15° к оси выработки бурят скважины 2, вскрывающие пласт / и осуществляющие его дегазацию.

Наиболее эффективным активным способом борьбы с суфлярными выделениями метана является их каптаж. Этот способ применяют в 20% случаев, а его эффективность достигает 92%. Он, в сочетании с дегазацией массива, позволяет ликвидировать даже интенсивные суфлярные выделения.

Каптаж суфлярных газов —это улавливание газа с последующим его отводом в исходящую струю или на поверхность.

При суфлярном выделении газа из кровли, почвы или боков выработки суфляр можно отводить с помощью специальных каптажных колпаков, изготовляемых из металлических листов и устанавливаемых так, чтобы они перекрыли место выделения газа ( 15.25).

Для установки каптажных колпаков 4 с помощью отбойного молотка вынимают слой горной породы или угля на глубину 30—40 см, а для создания герметичности вокруг них и над ними устраивают бетонную подушку 5. Для отвода газа из-под колпака к нему приваривают патрубки 3 и подсоединяют резиновыми шлангами 2 к магистральному трубопроводу /. Размеры колпака определяют по размерам трещины, из которой происходит газовыделение. При большой площади газовыделения может быть установлено несколько колпаков. Газ из-под колпака в дегазационный трубопровод обычно поступает под собственным давлением.

В случае, когда невозможен отвод газа из трещин с помощью колпаков, бурят скважины диаметром 45— 105 мм и длиной, зависящей от места нахождения суфляра. Скважины герметизируют и соединяют с газопроводом.

При проведении выработок по пласту с суфлярным выделением газа каптаж осуществляют следующим образом ( 15.26). Участок выработки, где наблюдаются суфлярные трещины 6, по периметру обшивают досками 5 и покрывают воздухонепроницаемым составом 4, состоящим из жидкого стекла и извести, смешиваемых с водой в соотношении 1:2:1. Толщина покрытия равна 15—20 мм. За полученную таким образом оболочку вводят специальные трубки 3, через которые суфляр по резиновым шлангам 2 отводится в газовую систему /. Как показывает практика, каптаж суфлярных газов является весьма эффективным способом, а в сочетании с дегазацией массива позволяет преодолевать участки с очень интенсивным суфлярным выделением газа.

 

К содержанию книги: ГОРНОЕ ДЕЛО: Шахтное и подземное строительство

 

 Смотрите также:

 

Строительные машины    Оборудование для производства железобетонных изделий    Строительные машины   Краны для строительства мостов   Монтаж трубопроводов   Грузовые автомобили    Строительные машины и их эксплуатация