Глава VIII

РАЗРАБОТКА УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ В СЛОЖНЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

§ 47. Разработка пластов, опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа

Большую опасность при разработке угольных пластов пред­ставляют внезапные выбросы угля, породы и газа. Внезапным выбросом называется быстро развивающееся под действием газового и горного давления разрушение угольного массива впе­реди забоя выработки, сопровождающееся отбросом угля и уси­ленным газовыделением.

По степени опасности по отношению к внезапным выбросам пласты подразделяются на опасные и угрожаемые.

Опасными являются пласты, залегающие в пределах шахтного поля ниже вентиляционого штрека на горизонте, на котором про­исходили выбросы. К угрожаемым относятся пласты в пределах крыла шахтного поля, имеющие общую границу с опасными пла­стами по простиранию на тех же горизонтах. К угрожаемым от­носятся также сближенные пласты, залегающие в зонах тектони­ческих нарушений ниже отметки, где произошел выброс на одном из пластов.

Внезапные выбросы зависят от разных факторов: глубины раз­работки, мощности пласта и угла наклона его, нарушенности пла­ста, давления газа в пласте и др.

Внезапные выбросы начинают проявляться при глубине разра­ботки 200—300 м. С увеличением глубины число и интенсивность выбросов возрастают. Интенсивность внезапных выбросов воз­растает также с увеличением мощности пластов. На крутых пла­стах внезапные выбросы проявляются чаще, чем на пологих. Большая часть внезапных выбросов происходит в сильно нару­шенных пачках, представленных перемятым углем, а также в зо­нах тектонических нарушений. Выбросы происходят при различ­ной газоносности пластов от 5 до 80 м³/т суточной добычи угля.

Наибольшую опасность из содержащихся в угле газов пред­ставляет метан.

В настоящее время в глубоких шахтах зарегистрировано дав­ление метана 5 и даже 7 МНа. Поскольку давление воздуха в под­земных выработках близко к атмосферному, происходит фильтра­ция газа в призабойные зоны.

Предупредительными признаками внезапных выбросов угля и газа являются:

уменьшение прочности угля; усиленное давление на крепь; по­трескивание угля, быстро чередующиеся хлопки, удары и треск различной силы и частоты в массиве. На шахтах Центрального района Донбасса предупредительные звуки слышны за несколько секунд, а иногда и за несколько часов;

выкрашивание и отскакивание кусочков угля и шелушение за­боя, отбрасывание более крупных кусков, отслаивание пластинок размером 2—3 мм;

сдвижение забоя, появление кусочков угля между затяжками, пучение угля, выгибание затяжек, усиленное газовыделение.

Вслед за предупредительными признаками (иногда через не­сколько секунд после их обнаружения) обнаженная стенка уголь­ного пласта проламывается под влиянием мощных сил, действую­щих со стороны массива угля и вмещающих пород, и раздроблен­ный уголь выбрасывается вместе с волной газа в подземную вы­работку, ломая на своем пути крепь, опрокидывая вагонетки, изги­бая рельсы и засыпая выработки.

Все предложенные до настоящего времени гипотезы о природе и механизме внезапных выбросов разделяют на три группы:

гипотезы, в которых активная роль отводится заключенному в угле газу;

гипотезы, в которых активная роль отводится давлению гор­ных пород;

гипотезы, в которых в качестве активных факторов допускает­ся давление как горных пород, так и газа.

Мероприятия по борьбе с внезапными выбросами угля, породы и газа можно подразделить на три группы: предупреждение внезапных выбросов; обезвреживание их;

ликвидация последствий внезапных выбросов. Для предупреждения внезапных выбросов применяются сле­дующие способы:

разгрузка опасного пласта от давления горных пород путем его надработки или подработки, т. е. опережающей разработки выше- или нижележащего пласта, не опасного по внезапным выбросам;

рассредоточение напряжений в призабойной зоне угольного пласта;

усиленное крепление забоя;

дегазация угольного пласта;

гидроотжим и гидровымывание опережающих полостей;

129

$ 48. РАЗРАБОТКА УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ, ОПАСНЫХ ПО ГОРНЫМ УДАРАМ

В связи с разработкой глубоких горизонтов на ряде шахт угольных бассейнов СССР наблюдаются горные удары большой разрушительной силы.

Горный удар представляет собой практически мгновенный выброс пород в результате их предельного напряженного состоя­ния. Он сопровождается резким сильным звуком и сотрясением окружающих пород, ощущаемым на поверхности в радиусе до нескольких километров (иногда до нескольких сотен километров). Крепь выработок при этом сильно повреждается или совсем раз­рушается, выработки заваливаются выброшенным углем и поро­дой разной крупности, часто образуется большое количество угольной пыли, а в некоторых случаях и газа.

Горному удару обычно предшествует усиление давления на целики угля и крепь выработок. Почва вспучивается, и иногда происходит выдавливание целиков угля, заполняющего все сече­ние выработки.

Часто при горном ударе возникает сильная воздушная волна — ушный v.iap. Удары происходят на участках от нескольких метров до нескольких сотен метров как в очистных, так и подго­товительных выработках. Уголь, остающийся в целике, и окру-

гидрорыхление;

бурение опережающих скважин; сотрясательное взрывание.

Опережающая разработка защитного пласта, залегающего в почве или кровле опасного пласта, является наиболее надежным способом предупреждения внезапных выбросов. Защитными назы­вают такие пласты, которые отстоят от подзащитных на расстоя­нии не более 100 м по нормали при подработке и не более 60 м при надработке. Диапазон действия защитных пластов практиче­ски более широкий.

Некоторое снижение опасности внезапных выбросов достигает­ся в результате бурения из забоев подготовительных и очистные выработок опасного пласта скважин большого диаметра (По— 200 мм) на глубину 10—12 м и при применении сотрясательного взрывания.

Большим достижением является применение в горном деле сейсмоакустического метода предсказания приближающихся дина­мических явлений, к которым относятся внезапные выбросы угля, породы и газа. Значительная часть работ по разработке этого ме­тода и соответствующей аппаратуры выполнена в Институте гор­ного дела им. А. А. Скочинского. а также на центральной научно-исследовательской сейсмоакустической станции при шахте «Юный Коммунар» в Донбассе.

Сущность сейсмоакустического метода заключается в следую­щем: слабые звуковые (сейсмоакустические) колебания, сопро­вождающие частичное разрушение угольного и породного массива под действием возрастающих напряжении, улавливают геофоном, установленным в скважине на глубине нескольких метров от забор, преобразуют в электрические сигналы звуковой частоты л фиксируют при помощи магнитной записи. По частоте следова­ния, интенсивности и частотному спектру записанных сигналов можно судить об угрожаемом состоянии массива за несколько ча­сов до начала катастрофы, что позволяет заблаговременно вы­вести людей из опасной зоны и полностью исключить возможность человеческих жертв.

Временное прекращение очистных работ в сочетании с комп­лексом определенных горнотехнических мероприятий, учитываю­щих индивидуальные особенности пластов, может уменьшить на­пряженное состояние массива и ликвидировать опасность внезап­ного выброса. Внедрение контрольной сейсмоакустической аппара­туры не только резко повышает безопасность труда горнорабочих, но и позволяет поднять годовую добычу угля из выемочных участ­ков за счет устранения простоев, продолжительность которых пос­ле крупных выбросов достигает 3—5 мес.

В угольных шахтах Донбасса область чувствительности геофо­на охватывает пространство около 30—50 м, в более крепких уг­лях Кизеловского бассейна она простирается на 70—100 м.

Звукоулавливающая аппаратура ЗУА-5 (рис. 61) представляет собой цилиндрическую гильзу диаметром 76—80 мм и длиной

1150 мм, закрытую на торцах фланцами. Гильзу помещают в буровой скважине наблюдае­мого участка взрывоопасного пласта. Получаемые в ней ан­налы по проводам передают не­посредственно в здание на по­верхности и там их соответст­вующим образом обрабатывс'1-ют.

Эффективность комплексно­го проведения предохранитель­ных мероприятий в зонах, опасных по внезапным выбро­сам, очень велика. Звукоулав­ливающая аппаратура посто­янно совершенствуется.

Вскрытие и разработка угольных пластов, опасных и угрожаемых по внезапным вы­бросам, должны производиться по проектам, составляемым в соответствии с инструкцией к § 105 Правил безопасности.

Рис. 61. Блок-схема сейсмоакустической регистрации:

; — геофон; 2 — усилитель: 3 — высокочастот» ный преобразователь: i — линия передачи по­казаний геофена на поврехность; 5 — демоДУ лятор; 6 — магнитофон

130

131

жающие породы растрескиваются, раскрываются трещины клива­жа, и прочность горных пород и угля в этой части массива уменьшается.

Наблюдениями установлено, что горные удары возникают при следующих условиях: значительной глубине разработки (200— 250 и), наличии мощных пластов, весьма прочных пород кровли и почвы, очень прочного угля. С увеличением глубины разработки опасность горных ударов повышается.

При разработке пластов Кизеловского бассейна горные удары наблюдаются уже больше 40 лет. Начались они на глубине свыше 250 м. Известны случаи горных ударов и на других шахтах СССР. Основной причиной горных ударов следует считать горное дав­ление, величина и характер которого являются следствием глав­ным образом гравитационных сил и лишь в отдельных случаях — добавочных напряжений тектонического происхождения. Однако основной источник напряжений создается за счет давления покры­вающих пород. Горные удары часто происходят вследствие обна­жения и зависания на больших площадях массива горных пород над выработанным пространством. Причинами горных ударов мо­гут быть сосредоточение высокого опорного давления вблизи обна­женной поверхности угольного массива и резкие изменения опор­ного давления, связанные с выемкой угля и управлением горным давлением.

Всесоюзным научно-исследовательским институтом горной гео­механики и маркшейдерского дела (ВНИМИ) была предложена гипотеза о механизме проявления горных ударов, согласно кото­рой в подготовке и проявлении горного удара принимает участие вся система боковые породы — уголь.

На основе обобщения шахтных, лабораторных и аналитиче­ских исследований, а также опыта по борьбе с горными ударами ВНИМИ разработан комплекс безопасных способов ведения гор­ных работ на шахтах, разрабатывающих пласты, опасные по гор­ным ударам.

В настоящее время создан принципиально новый подход к ор­ганизации службы прогноза на действующих шахтах. Задача со­стоит не в том, чтобы предсказать время проявления горных уда­ров, а прежде всего в том, чтобы выявить опасные участки в шах­тах и заранее привести их в неудароопасное состояние. Такой под­ход к службе прогноза горных ударов и борьбы с ними надежно обеспечивает безопасность ведения горных работ.

Первая группа мероприятий заключается в изменении механи­ческих свойств угля и боковых пород, вторая — в уменьшении опорного давления на целики. К мероприятиям первой группы от­носят: использование защитного действия соседних пластов, со­трясательное взрывание и предварительное рыхление угля. К ме­роприятиям второй группы относят: выбор соответствующих си­стем разработки, выбор способа управления кровлей и ряд других.

Большое значение имеет разработка методов и создание при­боров, позволяющих предсказывать горные удары, что дает воз-

можность заранее выводить людей из опасной зоны. Сейсмоаку-стический метод, успешно применяемый в борьбе с внезапными выбросами угля или газа, является весьма перспективным и в дан­ном случае.

Пласты, опасные или угрожаемые по горным ударам, должны разрабатываться в соответствии с инструкцией к § 117 Правил

безопасности.

Наиболее эффективным методом, обеспечивающим безопасную разработку пластов, подверженных горным ударам, является опе­режающая разработка защитных пластов. При наличии защитных пластов, залегающих выше и ниже защищаемых, в первую оче­редь следует отрабатывать вышележащий пласт. Если все пласты свиты одинаково опасны, то первым отрабатывают наименее мощ­ный пласт. Работы на опасном пласте должны вестись вне зоны опорного давления, создаваемого при очистной выемке защитного пласта.

jS 49. РАЗРАБОТКА СБЛИЖЕННЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Пласты угля обычно залегают свитами. Пласты считаются сближенными, если разработка одного из них осложняет разра­ботку другого. Один пласт отделяется от другого породами, назы­ваемыми междупластьем. Расстояние между пластами, измеряе­мое по нормали, называют мощностью междупластья.

До начала разработки пласты угля свиты находятся в есте­ственном напряженном состоянии. При разработке одного из-них равновесие тол щи вмещающих пород нарушается, происходит пе­рераспределение напряжений, что вызывает деформацию этих

пород.

Если выемка верхнего пласта производится раньше .нижнего, то происходит надработка нижнего пласта. Если предвари­тельно вынимается нижний пласт, то происходит подработка

верхнего пласта.

Взаимное влияние подработки и надработки сопровождается следующими явлениями: подработанный или надработанный пласт подвергается усиленной дегазации; подработанный пласт, имею­щий значительную обводненность, легко осушается; подработан­ный или надработанный пласт на некоторое время освобождается от напряженного состояния, вызванного давлением вышележащих

пород.

Последнее обстоятельство стремятся использовать для безопас­ной выемки пластов, склонных к внезапным выбросам угля, по­роды, газа или горным ударам.

Порядок и способы разработки сближенных пластов должны приниматься исходя из обеспечения: защиты выработок от про­явлений горных ударов и внезапных выбросов угля и газа; пред­варительной дегазации пластов; создания благоприятных условий для поддержания выработок путем расположения их в зонах, раз­груженных от горного давления, снижения прочности крепких уг-

133

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что представляют собой внезапные выбросы угля и газа?

2. При каких условиях происходят внезапные выбросы угля и газа?

3. Какое давление метана зарегистрировано на больших глубинах?

4. Какие Вы знаете мероприятия по борьбе с внезапными выбросами угля

и газа?

5. В чем сущность сейсмоакустнческого метода?

6. Что представляет собой явление горного удара?

7. При каких условиях происходят горные удары?

8. Какие мероприятия применяются по борьбе С горными ударами?

9. Какие пласты считаются сближенными?

10. В чем состоит надработка нижнего пласта?

11. В чем состоит подработка верхнего пласта?

12. Какие ставятся цели при выборе того или иного порядка разработки

сближенных пластов?

13. Расскажите об особенностях разработки угольных пластов в условиях

многолетней мерзлоты.

лей надрабатываемых или подрабатываемых пластов; улучшения условий управления горным давлением в очистных забоях; воз­можности групповой подготовки пластов с целью уменьшения про­тяженности поддерживаемых выработок.