Спосіб нормалізації атмосферних умов в лаві

Винахід відноситься до гірничої промисловості і може бути використаний для комплексної нормалізації атмосферних умов у лавах глибоких вугільних шахт. Існує відомий спосіб зниження температури в очісному вибої, у якому холодне повітря подають в очісний вибій по магістральній свердловині, пройденої з виїмкового штреку в масиві корисної копалини паралельно лінії очисного вибою, а далі - по свердловинам - відгалуженням, з'єднаним з магістральною свердловиною і пройденим перпендикулярно лінії очісного вибою [А.с. 665099 СССР, М. Кл.2 Е2F3/00. Способ снижения температуры в очисном забое / А. А. Селивра, Б. И. Медведев, Е. Н. Олейник, С. А. Селивра (СССР). - № 2566908/22-03; Заявл. 06.01.1978; Опубл. 30.05.79, Бюл. №20]. Недоліками відомого способу є: - неможливість комплексної нормалізації атмосфери в лаві по тепловому, пиловому і газовому факторах; - труднощі забезпечення необхідного розподілу охолодженого повітря по довжині лави, тому що складно забезпечити необхідний аеродинамічний зв'язок магістральної свердловини і свердловин відгалужень; цей недолік обумовлений тим, що точне перетинання свердловин у масиві утруднено, оскільки вони мають малий діаметр, буряться з різних виробок "наосліп", а вугільний масив неоднорідний; - підвищення пилоутворення в лаві при виїмці вугілля й у транспортних штреках при навантаженні, транспортуванні і розвантаженні вугілля, оскільки холодне повітря, проходячи по свердловинам і нагріваючись, інтенсивно висушує вугільний масив; запиленість повітря при цьому підвищує небезпеку вибуху вугільного пилу і захворювання гірників пневмоконіозами; - метан, радон і інші пластові гази з вугільного масиву надходять через свердловини в призабійний простір лави і погіршують у ньому атмосферні умови, у результаті цього підвищується небезпека вибуху метано-повітряної суміші і хронічної поразки робітників іонізуючим випромінюванням радону і продуктами його розпаду. Найбільш близьким до пропонованого способу по технічній сутності є спосіб нормалізації теплових умов в лаві і пристрій для його реалізації, в якому повітря перед подачею в магістральну виробку охолоджують до температури 0 ... +1°С, а потім поетапно нагрівають: спочатку за рахунок утилізації теплоти вентиляційного потоку, а далі - за рахунок енергії тиску. Тепловий режим в лаві регулюють шляхом зміни витрати повітря через кожну свердловину -відгалуження. При цьому магістральний канал і канали - відгалуження виконані з теплогідроізольованого матеріалу. [Пат. 19246 Україна, МКИ5 Е21F3/00. Спосіб нормалізації теплових розумів в лаві і пристрій для його здійснення / авт. Морєв О. М., Юцкевич М. В., Яковенко Є. А. (Заявка). - №95321017; Заявл. 30.09.93; Опубл. 25.12.97, Бюл. №6.]. Недоліками даного способу є наступне: - не забезпечується комплексна нормалізація атмосферних умов в лавах глибоких вугільних шахт по тепловому, пиловому і газовому факторах; - погіршуються теплові умови в лаві в зв'язку з інтенсивним тепловим випромінюванням з боку поверхні очісного вибою, оскільки за даним способом зберігається висока температура вугільного масиву; - значне пилоутворення в лаві при відбої, навантаженні і транспортуванні вугілля, оскільки по даному способу зберігається природна сухість вугільного масиву; - небезпечне виділення в призабійний простір з вугільного масиву метану й інших пластових газів, оскільки за даним способом не регулюється виділення газу; у тому числі не забезпечується захист робітників від хронічного іонізуючого випромінювання радону і продуктів його розпаду, що надходять у лаву з вугільного масиву; - труднощі точного сполучення у вугільному масиві магістрального каналу з каналами відгалуженнями, що погіршує розподіл повітря по каналах-відгалуженнях і, відповідно, по довжині лави; - великі труднощі і витрати, пов'язані з виконанням теплогідроізоляції каналів у вугільному масиві; - збіднювання вугілля, що добувається, матеріалом теплогідроізоляції каналів при його руйнуванні виїмковим агрегатом; - порушення технології видобутку вугілля і непродуктивні втрати часу при перетинанні очісним вибоєм магістральної виробки, оскільки при цьому необхідно припиняти видобуток вугілля, демонтувати кріплення і тепло-гідроізоляцію магістральної виробки і виконувати позапланову пересувку кріплення лави; - збільшення витрат на охолодження повітря в лаві, оскільки охолодження повітря до 0 - + 1 °С вимагає застосування на виїмковій ділянці низькотемпературної холодильної машини, а відомо, що в міру зниження температури випару холодоагенту вартість охолодження збільшується. В основу винаходу поставлена задача удосконалення способу нормалізації атмосферних умов в лаві, у якому шляхом введення нових технологічних операцій, їхнього сполучення і послідовності в просторі і в часі досягається можливість комплексної нормалізації атмосфери в лаві по газовому, пиловому і тепловому факторах шляхом багатофакторної газо-гідродинамичної і тепло-вологої обробки вугільного масиву і вентиляційного струменя, можливість зниження небезпеки самозаймання вугільного масиву, вибуху метано-повітряної суміші і вугільного пилу, і за захунок цього, можливість комплексного поліпшення атмосферних умов і підвищення безпеки праці в лаві. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі, що полягає в подачі повітря в призабійний простір лави побудником руху повітря по каналах у масиві корисної копалини, регулюванні витрати повітря по окремих каналах, відповідно до винаходу, канали формують шляхом буріння системи наскрізних свердловин у вугільному масиві між транспортним (повітроподавальним) і вентиляційним штреками похило до лінії очисного вибою, потім з кожної свердловини попередньо відкачують пластові гази, після чого її зволожують, охолоджують, причому по мірі наближення до свердловини очісного вибою ступінь охолодження підвищують, а при перетинанні чергової свердловини з поверхнею вибою по ній подають повітря в призабійний простір лави. На Фіг.1 зображена схема одного з можливих варіантів реалізації пропонованого способу нормалізації атмосферних умов у лаві в ув'язуванні з гірничими виробками виїмкової ділянки. На Фіг.2 показано графік якісної зміни температури кожної свердловини і навколишнього вугільного масиву при здійсненні даного способу. На осі ординат розташована шкала температури, а на осі абсцис показані номери свердловин, згідно Фіг.1. Крива лінія на графіку характеризує якісну зміну температури стінок свердловин і навколишнього масиву в напрямку від найбільш вилученої від вибою свердловини 10 до свердловин 4,3,2,1, по яких подають повітря в призабійний простір лави. Система наскрізних свердловин 1-9, (Фіг.1) пробурена у вугільному масиві 11 між транспортним (повітроподавальним) штреком 12 і вентиляційним штреком 13 похило до лінії очисного вибою 14. Як показано на фіг.1 свердловини 1,2,3,4 з однієї сторони перетинаються з лінією очісного вибою 14, кожна із яких за технологією передчасно пройшла етапи гідродинамічної і вологотеплової обробки в умовах наближення забою. З іншого боку ці свердловини з'єднані з повітряним колектором (повітропровідом) 15 за допомогою патрубків 16 і регуляторів витрати повітря 17, причому всі свердловини 1,2,3,4 обладнаються регуляторами 17. Побудник руху повітря 18 розташований на транспортному штреку 12 з боку свіжого вентиляційного струменя і з'єднаний з повітряним колектором 15. Свердловини 5,6 і 8 за допомогою трубопроводу 19, насосів 20 і 21, регуляторів витрати води 22 з'єднані в загальну гідравлічну систему, причому кожна з зазначених свердловин обладнана регулятором 22. Свердловини 7 і 9 за допомогою вакуумного трубопроводу 23 і регуляторів витрати газів 24 з'єднані з дегазаційною системою. Свердловина 10 знаходиться у стані проходки. Спосіб нормалізації атмосферних умов в лаві, відповідно до винаходу, здійснюється таким чином. У вугільному масиві бурять систему наскрізних свердловин між транспортним (повітроподавальним) штреком 12 і вентиляційним штреком 13 похило до лінії очісного вибою 14. Номера свердловин 1-9 на Фіг.1 вказують не тільки на далекість свердловин від лінії очісного вибою і їхню позицію в просторі, але також - на стан кожної свердловини і процеси, що у ній відбуваються. Причому кількість свердловин конкретного стану може бути різним, наприклад, свердловин у стані 9 може бути декілька, як система: 9а, 9б, 9в і т.п. Ця кількість визначається потужністю вугільного пласта, його газоносністю, температурою, вологістю, механічними характеристиками, ступенем його порушення, технологією очісних робіт, вимогами до параметрів атмосфери в лаві. Кожну свердловину, починаючи з вилучених від очісного вибою, наприклад 9, і в напрямку до вибою 14, послідовно піддають газо-гідродинамічній і тепло-вологосній обробці. При цьому кожна наступна (10,11, ...) свердловина, як і 9, послідовно проходить ряд станів 9-1 і в ній послідовно здійснюються наступні процеси. Спочатку свердловину 9 герметизують з двох сторін, з'єднують її з вакуумним трубопроводом 23 і відкачують з неї метан, радон і інші пластові гази, роблячи тим самим дегазацію вугільного масиву. Після цього свердловину 9 переводять у стан свердловини 8, для чого її за допомогою трубопроводу 19, наносу 21 і регулятора 22 з'єднують з гідравлічною системою, заповнюють водою і зволожують вугільний масив. При цьому відбувається початкове (первинне) охолодження масиву навколо свердловини 8 і розчинення у воді розчинних пластових газів (СО2, H2S , SO2, радону й ін). Потім воду зі свердловини 8 випускають і відводять у систему шахтного водовідливу, а свердловину 8 переводять у стан свердловини 7, для чого свердловину герметизують, з'єднують її з вакуумним трубопровідом 23 і відкачують водяні пари, забезпечуючи тим самим водо-випарне охолодження стінок свердловини 7 і навколишнього вугільного масиву. При цьому разом з водяними парами відкачують і залишки пластових газів, підвищуючи ступінь дегазації вугільного масиву. Після цього свердловину 7 переводять у стан свердловини 6, для чого її від'єднують від вакуумного трубопроводу 23 і з'єднують з гідравлічною системою і за допомогою насоса 20 заповнюють холодною поталою водою зі свердловини 5, потім витримують її для більш глибокого охолодження вугільного масиву навколо свердловини 6. При цьому контролюють нагрівання води в цій свердловині і після виникнення відносної стабілізації температури води її випускають зі свердловини 6 і за допомогою насоса 21 направляють у свердловину 8, що пройшла перед цим дегазацію. При цьому відбувається змочування стінок свердловини 8 і тріщин у вугільному масиві навколо цієї свердловини, а також - первинне охолодження масиву. Свердловина 6 після випуску з неї води переходить у стан свердловини 5, для чого простір, що звільнився усередині свердловини, заповнюють льодом і потім витримують її для більш глибокого охолодження вугільного масиву й одержання холодної поталої води. У результаті цей масив навколо свердловини 5 охолоджується до температури 0 ... +5 °С. Доставку льоду до свердловини 5 здійснюють у вагонетках-термосах або по трубопроводу у вигляді водольодової пульпи. Таким чином, ступінь охолодження свердловин і навколишнього масиву підвищується в напрямку від свердловини 9 до свердловини 5, що видно з графіка на Фіг.2. При наближенні очисного вибою 14 до свердловини 5 поталу воду, що міститься в ній, направляють у свердловину 6 за допомогою насоса 20, трубопроводу 19 і регуляторів 22. Після цього роблять механічне очищення свердловини 5 від шламу, підготовляючи її тим самим для пропуску повітря. При перетинанні поверхні очісного вибою 14, що посувається, зі свердловиною 5, вона переходить у стан свердловини 4, для чого її з'єднують за допомогою патрубка 16 і регулятора витрати повітря 17 з повітряним колектором 15. Повітря подають у призабійний простір одночасно по декількох свердловинах, зокрема, на Фіг.1 показані повітроподавальні свердловини 1,2,3,4. Причому загальна кількість свердловин, по яких подають повітря в призабійний простір, може бути різним. Це визначається кутом нахилу свердловин до лінії вибою, відстанню між свердловинами, кількістю свердловин кожного типу; наприклад, по товщині пласта свердловин типу 1 може бути декілька: 1а, 1б, 1в і т. п. У міру поглиблення гірничих робіт і росту природної температури вугільного масиву кількість свердловин типу 1-4 збільшують. Кількість свердловин, по яких подають повітря в призабійний простір, уточнюють, враховуючи також природну температуру вугільного масиву, його газоносність, потужність вугільного пласта, довжину очісного вибою, продуктивність лави, технологію і механізацію очісних робіт та ін. Повітря, проходячи по свердловинах у стані 1,2,3,4, охолоджується й осушується за рахунок теплообміну з холодними стінками свердловин. При цьому найбільш значне охолодження повітря відбуватиметься в свердловинах 4 і 3, що дуже важливо для комплексного поліпшення атмосферних умов в лаві, оскільки у верхній частині лави при існуючих схемах вентиляції часто створюються найважчі атмосферні умови (висока температура, запиленість, підвищена концентрація шкідливих газів). Охолоджене і осушене у свердловинах 1,2,3,4 повітря змішується в призабійнім просторі лави з вентиляційним струменем, що надходить із транспортного (повітряподавального) штреку 12 безпосередньо в лаву, у результаті чого знижується температура і вологовмісткість повітря в лаві. Витрати повітря по окремих свердловинах регулюють за допомогою регуляторів 17 для забезпечення нормальних атмосферних умов по всій довжині лави. При виконанні вищеперерахованих операцій у кожній свердловині в станах 9-1 відбуваються такі зміни температуривугільного масиву (Фіг.2). Найвища температура масиву (у даному прикладі 50°С) спостерігається в зоні буріння кожної свердловини, наприклад 10. У процесі дегазації свердловини 9 відбувається розширення пластових газів і зниження їхньої температури, тому температура стінок свердловини 9 почне знижуватися. Більш помітне охолодження відбуватиметься при заповненні свердловини 8 водою, що має велику теплоємність і заповнює тріщини вугільного масиву. Подальше зниження температури вугільного масиву відбувається при вакуумному випарі води в свердловині 7. При цьому теплота, необхідна для випару води, забирається від вугільного масиву і він охолоджується. Заповнення свердловини б поталою водою приводить до більш глибокого охолодження масиву. Мінімальна температура (близько 0°С) спостерігатиметься в свердловині 5 при таненні льоду. При подачі повітря по свердловинам 1-4 температура їхніх стінок буде поступово збільшуватися, однак до цієї групи свердловин періодично в міру посування очісного вибою, приєднуватимуться нові свердловини, охолоджені при багато-факторній обробці свердловин у станах 5-9, а свердловини 1,2 ... будуть відпрацьовуватися вибоєм і припиняти своє існування. При розробці хитливих, сильно зруйнованих вугільних пластів, можна робити закріплення стінок свердловин, наприклад: шляхом обсадки їх перфорованими трубами, шляхом заморожування, шляхом хімічного закріплення, шляхом обробки стінок в'язкими речовинами, що забезпечують "склеювання" стінок свердловини та ін. В залежності від стану вугільного масиву пласта в конкретному випадку вибирають той. чи інший спосіб закріплення стінок свердловин. Теплові умови в лаві поліпшуються як за рахунок зниження температури і вологості повітря, так і за рахунок зниження інтенсивності теплового випромінювання з боку очісного вибою 14, оскільки температура вугільного масиву знижується при послідовному охолодженні кожної із системи свердловин. Крім того, при транспортуванні відбитого охолодженого вугілля по лаві і транспортному штреку відбувається додаткове охолодження повітря за рахунок теплообміну між вентиляційним струменем і вугіллям, що транспортується. У результаті цього температура повітря на вході в лаву також буде знижуватися і надалі нормалізуватися за рахунок розосередженого надходження по свердловинам 1-4 охолодженого повітря. Охолодження і зволоження вугільного масиву за допомогою системи свердловин також зменшує небезпеку самозаймання вугілля і виникнення пожежі, оскільки запобігає самонагріванню вугілля в процесі природного окислювання. Примусове зволоження вугільного масиву водою у свердловинах в станах 8,6,5 забезпечує зниження пилоутворення не тільки в лаві при відбої, навантаженні і транспортуванні вугілля, але й при доставці його по транспортних виробках, перевантаженні і вивантаженні вугілля. Зниження пилоутворення в лаві приводить до поліпшення атмосферних умов, знижує небезпеку вибуху вугільного пилу і небезпеку захворювання робітників пневмоконіозом. Примусова дегазація вугільного масиву через свердловини 9 і 7 приводить до зниження шкідливого газовиділення при виїмці вугілля в лаві. При цьому зменшується можливість вибуху метано-повітряної суміші, а також знижується шкідливий хронічний вплив на гірників радону, якому притаманна іонізуюча властивість. Таким чином, забезпечується комплексна нормалізація атмосферних умов в лаві по газовому, пиловому і тепловому факторах і, у цілому, підвищується безпека праці шляхом багатофакторної газогідродинамічної і волого-теплової обробки вугільного масиву і вентиляційного струменя за допомогою системи наскрізних свердловин, пробурених у вугільному масиві похило до лінії очісного вибою між вентиляційним і транспортним (повітроподавальним) штреками. Ефект нормалізації атмосферних умов і підвищення безпеки праці в лаві досягається без застосування на виїмковій ділянці холодильних машин, експлуатація яких у підземних умовах вкрай утруднена і зв'язана з великими витратами.