Технология и оборудование повышения эффективности дегазации выбросоопасных угольных пластов для обеспечения безопасной добычи угля в сложных горно-геологических условиях

Научный результат проекта относится к приоритетному направлению развития науки, технологий и техники в РФ – Рациональное природопользование. Объекты исследования: углепородный массив, оконтуренный горными выработками, характеризующийся структурными изменениями в области угольного пласта, метан угольных пластов, динамические обрушения горного массива. Цель выполнения НИР: Обоснование технологии направленного гидроразрыва труднообрушающейся кровли в различных технологических схемах и поинтервального гидроразрыва угольного пласта и разработка экспериментального стенда для исследования процессов гидродинамического воздействия на угольные пласты; разработка и опробование опытно-промышленных установок направленного и поинтервального гидроразрывов. Использованы методы: сейсмическое просвечивание углепородного массива, эхолокационный мониторинг дегазационных скважин, численное моделирование, стендовые испытания, опытно-промышленные испытания. Важнейшие результаты. 1. Разработана методика проведения направленного гидроразрыва труднообрушающейся кровли в различных технологических схемах и поинтервального гидроразрыва угольного пласта в шахтных условиях. Методика устанавливает порядок проведения гидроразрыва и определения геомеханического состояния углепородного массива, проницаемости и газоносности угольного пласта, состояния скважин на основе эхолокации в горных выработках действующих угольных шахт и обеспечения контроля изменения давления нагнетаемой рабочей жидкости. 2. Определены параметры перспективной конструкции щелеобразователя с рычажной кинематикой выдвижения режущего органа, обеспечивающие максимальный его выход по рациональной траектории нарезания инициирующей щели. Проведен прочностной расчет режущего органа щелеобразователя, по результатам которого были определены требуемые размеры его поперечного сечения. 3. Проведены шахтные наблюдения работы уравновешенных герметизаторов с полиуретановыми уплотнительными элементами, а также стендовые исследования, позволившие оценить деформационные характеристики полиуретановых уплотнений трубчато-цилиндрической формы, насаженных с натягом на стальной стержень и находящихся в условиях одноосного сжатия. 4. Разработана эскизная конструкторская документация (общий вид и укрупнённая спецификация) действующих полноразмерных экспериментальных образцов оборудования в составе комплексов направленного гидроразрыва труднообрушающейся кровли и поинтервального гидроразрыва угольного пласта. 5. Проведены опытно-промышленные испытания метода поинтервального гидроразрыва (ПГР) пласта XXVI в условиях АО «Северный Кузбасс» шахта «Берёзовская» в контуре выемочного столба №49. После гидроразрыва в скважинах обнаружен выход воды в скважине предварительной дегазации, что свидетельствует о соединении скважин системой трещин гидроразрыва на расстояние более 8 метров. Увеличение среднего показателя дебита метана до 1200% в течении 11 дней. 6. Проведено обоснование кинематической схемы выдвижения ножа. Результаты физических экспериментов по исследованию режимов работы ножа позволили установить направление выдвижения из корпуса устройства для эффективной резки породы и наименьший угол, позволяющий ножу свободно выдвигаться из корпуса при перемещении его основания и при этом не заклиниваться в исходном положении. 7. Выполнена постановка краевой задачи для моделирования напряженно-деформированного состояния геомассива с учетом нелинейного характера деформирования пород в зонах влияния подземных горных выработок. Рассмотрены варианты расположения скважин для направленного гидроразрыва пород труднообрушаемой кровли, позволяющие снизить риск опасных геодинамических явлений при отработке пологого угольного пласта длинными очистными забоями. 8. Разработан метод прогноза параметров геомеханических и газофильтрационных процессов в массиве горных пород, включающий многовариантное пространственное расположение инициирующих щелей гидроразрыва с оценкой негативного влияния труднообрушающихся пород кровли по комплексному критерию, учитывающему вертикальные и касательные напряжения, оседания пород кровли и пучение пород почвы, а также фильтрационные и газодинамические параметры: пористость и проницаемость угля и пород, давление метана в угольном пласте. 9. Разработанная «Технология повышения эффективности дегазации выбросоопасных угольных пластов», включающая способы направленного гидроразрыва кровли и поинтервального гидроразрыва угольного пласта и оборудование для осуществления способов, а также средства мониторинга результатов проведенных мероприятий, в сравнении с применяемыми современными технологиями дала возможность специалистам АО «УК «Северный Кузбасс» повысить качество решения вопросов управления кровлей, дегазации угольного пласта, снижения выбросоопасности угольных пластов, что позволило обеспечить безопасность добычи угля. 10. Разработанная «Методика проведения направленного гидроразрыва труднообрушающейся кровли в различных технологических схемах и поинтервального гидроразрыва угольного пласта в шахтных условиях» способствует созданию новых технологий и средств их реализации, повышающих эффективность угледобычи и обеспечивающих высокий уровень промышленной безопасности, а также формирование эффективной системы оценки и управления процессами интенсификации дегазации и управления горным массивом. Актуальность и новизна полученных новых знаний. Основной причиной, сдерживающей угледобычу подземным способом, является наличие в угольном массиве и вмещающих породах природного газа метана. Метан газ без цвета и запаха, легче воздуха с плотностью 0,72 кг/м3. Обладает высокой горючестью. Предел воспламенения на воздухе – 4,4% по объему. В пределах концентрации с воздухом от 4,4 до 17% – взрывоопасен. В высоких концентрациях токсичен и опасен для человека. С увеличением глубины отработки угольных пластов на шахтах Кузбасса заметно повышается их метаносодержание. Применяемые известные в России технологии дегазации угольных пластов снижают газовыделение метана во время ведения проходческих и очистных работ, но не до необходимой степени безопасности, на фоне растущих по производительности угледобывающих машин и механизированных комплексов. Таким образом, вследствие низкой эффективности дегазационных работ на многих газообильных шахтах России сохраняется газовый барьер, препятствующий достижению высоких скоростей проведения горных выработок и больших нагрузок на очистные забои. По этой причине в угледобывающей промышленности сложилась парадоксальная ситуация, когда технические возможности средств очистной выемки на пологих пластах в несколько раз превышают допустимую нагрузку на лаву по газовому фактору. Этим объясняется низкая производительность труда и высокая степень травматизма при ведении подземных работ. В то же время, современная стратегия развития подземной угледобычи предусматривает создание шахт с высоким уровнем концентрации и интенсивности горных работ, что требует создания безопасных условий управления горным массивом. Однако с увеличением глубины добычных работ подземным способом, усложняются и горногеологические условия. К ним можно отнести наличие прочных труднообрушаемых кровель, расположенных непосредственно на контакте уголь-порода. Кровли, сложенные из пород прочностью более 6 ед. по шкале Протодьяконова, малой трещиноватости и мощностью более 2-х метров, способны создавать в отработанном лаве «завальном» участке площадное зависание, протяженностью более > 30 м. В случаях внезапного обрушения зависшей кровли в завальной части лавы способно приводить к трагическим последствиям (ш. Листвяжная). К примеру, на ш. Листвяжная одной из основных причин взрыва метана стало обрушение кровли на значительной площади в завальной части при отходе лавы, что привело к образованию избыточного вентиляционного давления, выделению метана и угольной пыли в действующие горные выработки. Кроме того, зависание кровли вызывает концентрацию горного давления на угольный массив в зоне очистного забоя и на сопряжениях его с горными выработками, что провоцирует горный удар. Можно предположить, что принудительная посадка кровли в случаях ее зависания повысит безопасность ведения горных работ и снизит нагрузки на примыкающие к лаве горные выработки. Современная стратегия развития подземной угледобычи предусматривает создание шахт с высоким уровнем концентрации и интенсификации горных работ, что требует создания безопасных условий по газовому фактору для обеспечения повышения нагрузок на очистные и подготовительные забои. Дальнейшее повышение эффективности, технической и экологической безопасности подземной разработки высокогазоносных угольных месторождений неразрывно связано с разработкой комплекса специальных способов и средств управления горным давлением, а также стимулирования газоотдачи неразгруженных угольных пластов. Удовлетворительного технического решения таких задач на стадии ведения очистных и подготовительных работ нет ни в России, ни за рубежом. В проекте предложено создание комплекса технологий, и средств их реализации, повышающих эффективность угледобычи и обеспечивающих высокий уровень промышленной безопасности, а также формирование эффективной системы оценки и управления процессами интенсификации дегазации и управления горным массивом методами направленного гидроразрыва кровли и поинтервального гидроразрыва угольного пласта.