2. Особенности проявления внезапных выбросов горных пород и газа в различных природно-технологических условиях

Сложность и многообразие внешних форм проявления выбросов горных пород и газа затрудняют изучение и разработку мер предотвращения этого явления. Сложность связана еще и с тем, что две силы, вызывающие явление - напряжения горных пород и пластовое давление газа (жидкостей), - прямо не измеряются.

О напряжениях судят по величине деформаций и смещений. Трудность измерения пластового давления заключается в том, что в условиях активно сдвигающегося массива трудно получить качественную герметизацию скважины и в то же время требуется длительное время наблюдений вследствие крайне низкой проницаемости горных пород и, в частности, выбросоопасных пластов.

Указанные обстоятельства привели к отсутствию до сих пор количественных показателей и соотношений сил, участвующих в явлении.

Методы измерений устойчивости и прочности горного массива как единого целого также не обеспечивают получения данных со степенью точности, необходимой для разработки теоретических соотношений, позволяющих предсказывать ход событий в зависимости от горно-геологических условий.

Изложенная выше обстановка породила и порождает до сих пор многочисленные мнения и высказывания о природе и значимости сил, вызывающих выброс горной породы и газа, а также необходимость их краткого рассмотрения.

В отечественной литературе первое обобщение характеристик метановыделений в угольных шахтах и разделение их на обычные суфлярные и внезапные сделано в 1917 г. Н. Н. Черницыным. Характеризуя выбросы («внезапные выделения»), Н. Н. Черницын указывает на приуроченность их к сбросам, сдвигам пласта, его нарушениям и утонениям, местам, где наблюдалось очень большое давление пород, и глубинам более 250 м.

Выбросоопасными свойствами считались высокая твердость и пористость, а также низкая («ничтожная») проницаемость угля для газа.

А. А. Скочинский в 1954 г. обобщил ранее высказанные положения о том, что выбросы обусловлены взаимодействием сил горного давления (напряжений), газа, заключенного в угольном пласте, физико-химическими свойствами угля и строением угольного пласта, а при крутом падении - и силой тяжести угля. Первую попытку увязать количественным соотношением энергию выброса или горного удара сделал С. Г. Авершин.

Силы газа, заключенного в продуктивной толще – это пластовое давление которое измеряют в загерметизированных скважинах и шпурах. Л. Н. Быковым было показано, что в соляных и угольных месторождениях пластовое давление нарастает с глубиной в среднем по гидростатическому закону. Однако имеются значительные отклонения от гидростатического закона. В зонах дренажа пластовое давление значительно ниже гидростатического. В то же время имеются области, в которых пластовое давление находится на уровне геостатического и даже выше. В последнем случае говорят об аномально высоком пластовом давлении (АВПД). Области АВПД возникают по двум причинам:

1) тектоническое сжатие продуктивной толщи, обычно осложненное сейсмическими колебаниями, ускоряющими генерацию газов органическим материалом;

2) прорыв газов из нижележащих зон осадочного чехла, мантии.

В ряде районов Донбасса установлены пластовые давления на уровне геостатического и выше. В нефтегазовых провинциях АВПД наблюдают систематически.

Низкая проницаемость пород способствует сохранению областей АВПД.

Очевидно, что для предсказания выбросоопасности необходимо, прежде всего, измерять пластовое давление во всех геологоразведочных скважинах на шахтном поле.

Вопрос о распределении напряжений в скелете горных пород (горном давлении), слагающих продуктивную толщу, более сложный.

Г. А. Коньков указал на наличие молодых тектонических движений в Донбассе и связанных с ними напряжений, не подчиняющихся геостатической закономерности. Работами Г.А. Конькова, И. А. Турчанинова, Н. Хаста и других доказано, что естественное горное давление

Ре ¹ gH (1)

g - удельный вес горных пород; Н - глубина, хотя и наблюдается общее нарастание давления с глубиной.

Однако в отличие от пластового давления здесь на значительных глубинах возможны области растягивающих сил и тангенциальных напряжений.

Современный уровень науки о горном давлении не позволяет вычислять его по геологическим и внешним термодинамическим показателям. Необходимо в каждом случае проводить измерения.

Особенности механизма выбросов пород и газа состоят в том, что выбросоопасные зоны песчаников отличаются низкой прочностью и высокой газоносностью - 0,31- 3,0 м³/т по сравнению с 0,05-0,7 м³/т в неопасных зонах. Метаноёмкость выбросоопасных песчаников в 2-5 раз выше, значительно выше и сорбционная метаноемкость. При взрыве таких песчаников на отбой возникает процесс хрупкого послойного самоподдерживающегося разрушения с перемещением разрушенной массы в выработку. При встрече прочного прослоя процесс выброса затухает.

Особенности выбросов соляных пород и газа состоят в том, что:

1) соляные породы в выбросоопасных зонах высокопористы (5-10 %), малопрочны при растяжении и высокогазоносны;

2) выбросоопасные зоны характеризуются высоким пластовым давлением (Р_пл = 6...8 МПа);

3) соляные породы разрушаются до пылеобразного состояния, и стенки полости выброса разбиты характерной трещиноватостью, свидетельствующей о послойном отрыве;

4) после выброса соли (особенно карналлита) понижается температура воздуха в выработке;

5) глубина залегания выбросоопасных калийных пластов составляет 300-900 м.