Автореферат: Повышение пылегазовой безопасности выработок добычных участков угольных шахт на основе пенопородных ленточных аэродинамических сопротивлений

Разбавление газа, поступающего из окружающего массива, до безопасных концентраций вентиляционной струей свежего воздуха в основных выработках добычного участка еще не является гарантией безопасности ведения работ. Неравномерность газовыделения как во времени, так и по площади поверхности контакта пород с воздухом делает характер формирования газового режима выработок не закономерным и требует значительных резервов производительности систем безопасности (вентиляторов, распределительных устройств и пр.) при надежном и стабильном контроле ситуации. Диапазон стабильных изменений концентрации газа в сечении достигает 0,3-0,4 %, а эпизодические “всплески” могут превышать допустимые пределы и вызывать воспламенения газа, переходящие во взрывы газа и пыли.

По данным исследований, для всех схем проветривания выемочных участков характерны закономерности изменения содержания кислорода и метана в выработанном пространстве, имеющие вид экспонент с плавным снижением первого и повышением второго на расстоянии до 150-200 м от забоя.

При наличии утечек воздуха из лавы в выработанное пространство значительно сокращается поступление пыли в выработки с исходящей струей. Само выработанное пространство, особенно в нижней части лавы, является своеобразным “осаждающим фильтром” и накопителем пыли - взрывоопасного материала. Время действия выработанного пространства как “осадительного фильтра” может изменяться от нескольких суток (на уровне контакта со свежей струей) до десятков суток (на уровне контакта с исходящей из лавы струей воздуха). Участок активного пылеосаждения такого “фильтра” определяется, в основном, его геометрией (пористость) и скоростью движения утечек воздуха.

Пылеотложение для призабойного выработанного пространства реально сопоставимо с участками сопряжений лав с вентиляционными выработками и ориентировочно может быть оценено величиной не менее 300-400 г/м³сут. Зона утечек аэрогелей в выработанном пространстве распространяется от единиц до десятков метров по длине лавы, что создает благоприятные условия для формирования взрывоопасного “стратиграфического” разреза пылеотложений от крупных фракций на контакте с породой до мелких - на контакте с утечками воздуха.

Исследования процессов переноса массы аэрозольного вещества (с учётом воздуха) в выработанное пространство позволили разработать математическую модель и получить аналитическую зависимость:

, (1)

где с_вх - концентрация частиц на входе (х = 0), г/м³;

х - расстояние от лавы в выработанном пространстве, м.

Зависимость свидетельствует об экспоненциальном снижении концентрации частиц в воздухе до 10-15 % от начальной на расстоянии до 10 м. Пылевой аэрогель с крупностью частиц до 30 мкм имеет возможность не только заполнять выработанное пространство с обрушенными породами, но и мигрировать далее с утечками воздуха, создавая пожаровзрывоопасное состояние всего объёма зоны фильтрации.

Для изоляции выработанного пространства, а также пространства между крепью и стенками выработки на кафедре «БП и РГП» предложено использование аэродинамических сопротивлений, состоящих из твердеющей негорючей и практически газонепроницаемой пены.

Предлагаемая схема может быть реализована при разработке угольных пластов длинными очистными забоями с управлением горным давлением полным обрушением пород кровли за крепью при прямоточном проветривании выемочного участка по воздухоподающему штреку 1, очистному забою 2, вентиляционному штреку 3. При этом прохождение воздуха через зону повышенного метановыделения в выработанном пространстве 4 блокируется пенными полосами 5, 6 у очистного забоя 2 и вентиляционного штрека 3 соответственно.

Рисунок 1 - Схема пеногенерирующего способа регулирования пылегазового режима добычного участка угольной шахты.

Пенные полосы 5 у очистного забоя 2 формируются периодически на расстоянии L_шаг между ними, причем это расстояние равно половине длины зоны обрушения основной кровли F. А ширина пенных полос L_п может достигать мощности отрабатываемого пласта. Устойчивость ф₁ пенных полос у очистного забоя равна отношению удвоенного значения фактической длины зоны обрушения основной кровли F к скорости подвигания очистного забоя V:

, (сут), (2)

где длина зоны обрушения основной кровли F варьируется 25…30 м, а скорость подвигания очистного забоя V не превышает 3 м/сут, поэтому устойчивость пенных полос у очистного забоя варьируется от 15...20 суток.

Пенные полосы 6 у вентиляционного штрека 3 формируют постоянно по мере продвижения очистного забоя. Ширина пенных полос L_з определяется экспериментально. Устойчивость ф₂ пенных полос у вентиляционного штрека равна десятикратному отношению удвоенного значения фактической длины зоны обрушения основной кровли F к скорости подвигания очистного забоя V:

, (сут), (3)

где длина зоны обрушения основной кровли F изменяется в пределах 25…30 м, а скорость подвигания очистного забоя V не превышает 3 м/сут, поэтому устойчивость пенных полос у вентиляционного штрека варьируется от 150...200 суток.

Формирование аэродинамических сопротивлений на основе пенных полос с различной устойчивостью у очистного забоя и вентиляционного штрека в выработанном пространстве приводит к практически полной изоляции выработанного пространства от опасных по взрыву газа и пыли, перемещению утечек воздуха к призабойному пространству за пределы зоны высоких концентраций метана, и повышению безопасности угольной шахты.

По итогам исследований получен патент на изобретение № 2007135961 «Способ защиты выработанного пространства от взрывов пыли и газа».

2. В качестве надежного средства управления пылегазовым режимом выработанных пространств и выработок добычных участков угольных шахт может быть рекомендована твердеющая пена, полученная смешением в водном растворе пенообразователя «Сульфанол» (3-5 %), стабилизатора - смолы карбамидоформальдегидной с пониженным содержанием формальдегида (24-27 %) и отвердителя в виде сульфокислоты технической (11-16 %), кратностью до 40 и устойчивостью до трех месяцев.

По итогам исследований предложен состав для защиты выработанного пространства и профилактики эндогенных пожаров (табл. 1), содержащий пенообразователь на основе «Сульфанол», стабилизатор, отвердитель и воду, согласно изобретению, в качестве стабилизатора используют смолу карбамидоформальдегидную, отвердитель - сульфокислота техническая или его аналог и воду, при следующем соотношении компонентных масс, %:

Сульфонол 3…5;

Смола карбамидоформальдегидная 24…27;

Сульфокислота техническая 11…16;

Вода остальное.

Таблица 1 - Требования к исходным продуктам твердеющей пены

Предложенный состав представляет собой долгоживущую пенную смесь высокой кратности (до 40), образованную при механическом перемешивании используемых компонентов с использованием стандартных пеногенераторов. В выработанном пространстве формируют изолирующие полосы с обрушением в неё пород кровли за крепью, позволяющие практически полностью устранить проникновение опасных по взрыву газа и пыли в горные выработки, вызванное низкой скоростью «слёживаемости» обрушенной породы в выработанном пространстве. Происходит перемещение утечек аэрогелей к призабойному пространству за пределы зоны высоких концентраций метана и препятствование перемещению пыли как внутри выработанного пространства, так и выхода её в рабочие пространства.

Опытами установлено, что полученная пена является практически воздухонепроницаемой. При непосредственном воздействии пламени ее поверхностный слой обугливается, но пламя по поверхности не распространяется. Твердеющая пена не накапливает в себе влагу, не является токсичной, является пожаробезопасной, выдерживает температуру до 200^oС.

Затвердевание и приобретение эластичности происходит по мере истечения из пены жидкости и не превышает 24 часов. Период распада пены в лабораторных условиях оценивается порядка 2,5 - 3 месяцев.

Фильтрационные свойства твердеющей пены толщиной 30 см различных составов определялись по ГОСТ 25891-83 «Методы определения сопротивления воздухопроницанию ограждающих конструкций» (табл. 2).

Заполнение пеной свободного пространства в пределах извлекаемой мощности пласта обеспечивает ее всплывание между кусками обрушающейся затем на нее непосредственной кровли, заполнение пустот и даже образующейся полости между непосредственной и основной кровлей за счет разряжения воздуха в этом пространстве. В результате этих процессов увеличивается сопротивление движению утечек воздуха и пыли, вплоть до полной изоляции выработанного пространства.

Таблица 2 - Аэродинамические свойства слоя твердеющей пены толщиной 300 мм

По результатам исследований получен патент на изобретение № 2334110 «Состав для защиты выработанного пространства и профилактики эндогенных пожаров».

3. Безопасность и эффективность ведения работ обеспечивается использованием аэродинамических сопротивлений ленточного типа в выработанном пространстве у очистного забоя и вентиляционного штрека, позволяющие уменьшить объемы фильтрации газа и вынос пыли из выработанного пространства от 60 до 80 %.