книги из ГПНТБ / Проходка шахтных стволов в условиях выбросоопасных пластов

Д л я

того чтобы

полностью оценить деформируемость

массива

по мере

удаления

от борта ствола к его центру, для

установки

5

f

2

„

3

Расстояние

от забоя

Вглубь

30

массива,»

21

mе-

I

J 2

1

«S

1°-

/

Z

J

*

Расстояние

от забоя

Вглубь

нассиВа,

н

Рис. 21. Схемы расположения контрольных шпу­

ров и реперов и деформации

угольного

массива

впереди забоя ствола по скрытым

реперам (ски­

повой ствол, шахта «Коксовая», пласт Безымян­

ный)

в

зоне:

а — сухой;

б — увлажненной:

/, 2,

3 — номера

контроль­

ных

шпуров

расстояния

от центра ствола до

борта

и

у

борта ствола (см.

взрывания

предыдущей заходки.

После

замеров смещений реперов в течение 30 ч было прове­

дено

взрывание

очередной заходки

глубиной 1,7 м. После взрыв ­

ных

работ

было

произведено два

з а м е р а смещений — через 2 ч

и 8

ч.

Р е з у л ь т а ты замеров

расстояний

м е ж д у

реперами

представлены

в табл .

15.

Т а б л и ц а

15

Расстояние

(мм) м е ж д у

реперами

Время от

начала

установки

1—2

2 - 3

3—4

1 - 2

2 - 3

3 - 4

1—2

2 - 3

3—4

реперов, ч

В момент

уста­

Шпур № 1у

Шпур № 2у

Шпур № Зу

882,12 869,73 1134,15

917,31 761,72 1219,27

807,82 781,12

1109,07

новки .

. . .

6 ч

882,44 870,55 1135,41

917,57 762,30 1220,21

907,88 781,27

1109,30

12 ч

882,6] 871,00 1136,03 917,69 762,60 1220,76

907,91 781,37

1109,41

24 ч

882,72 871,23 1136,95

917,79 762,75 1221,40

907,93 781,41

1109,50

30 ч

882,80 871,39 1137,68

917,87 762,82 1221,71

907,94 781,43

1109,55

Через

3 ч

пос­

884,20 874,11

918,76 764,63

908,28 782,51

ле

взрывания

—

—

—

Через

8 ч

пос­

884,95 874,54

919,11 765,06

908,43 782,72

ле

взрывания

Г р а ф и к деформации массива в зависимости от расположения

рассматриваемой

его точки от ствола

на

глубине

2 м

показан

на

рис. 22. График построен по

данным,

полученным

через

6,

12 и 24 ч после установки ре­

перов

(кривые /—3).

На

рис. 23

показан

харак ­

тер

деформаций

угольного

пласта

на

разном

расстоянии

от

забоя

ствола

во

времени.

Н а

рис.

24

приведен

график

зависимости

деформа ­

ций угольного массива от рас­

стояния

от

борта

ствола

по

направлению

к его оси

через

12

ч

после

взрывных

работ.

К а к

видно

из

графиков

(рис. 22, 23), деформации за­

боя

ствола

происходят

весьма

неравномерно.

Наибольшие

деформации

наблюдаются

в

центре

ствола,

наименьшие

—

вблизи борта ствола. Причем

непосредственно у сопряжения борта ствола с забоем

деформации

массива

в вертикальной

плоскости

практически

отсутствуют.

Н а рис. 25

показан характер

деформации

массива в

период

остановки з а б о я ствола и после взрывных

работ.

Д л я сравнения

деформируемости

во времени

и

после взятия

очередной заходкн по данным экспериментов

построен

график

(см.

рис. 25)

деформации массива по времени.

Д л я сравнения

взята

деформация массива на глубине

от

3 до 2 м

от забоя

ствола.

60

50

<а<о

Z

i

% -

e £

20

2

T \

\

J

it

1

Z

3

it

1

Расстояние

от забоя

ствола, н

Рис. 23. Характер деформации угольного массива на разном рас­

стоянии

от

забоя

ствола

во

времени

после

взрывных

работ:

а—в

— по

шпурам Л'°

3, 2 и

1;

/ ,

2,

3

к

4 — соответственно

д л я

времени

6,

12. 24

и

30

ч.

Н а

основании

рис.

25 м о ж н о сделать следующие выводы.

Основная

часть деформаций

происходит в момент взятия заход -

ки

и в

первые

часы

после

этого. Практическое

значение

имеет

50\

30

t .

У* 1

1

/

г

г*

/

30

•о

— 4 м -

2

«

18

//

3

1 1

го\

—t—i—

г

II

1

J .

12

Um

w

"/

;

г

з

и

1/

1

— •

JaccmoBHue от

Stoma

стіола

к его

оси,к

время, V

Рис.

24.

График

зависи­

Рис. 25. Кривые деформации массива в пе­

мости деформации уголь­

риод остановки

забоя

ствола

и

после

взрыв­

ного

массива

от

рас­

ных

работ:

стояния

от

борта

ствола

1—3 — деформации

по

шпурам 3,2

й

1 при останов­

по

направлению

к

его

ленном

забое;

4—6 — деформации

по шпурам 3,2 и 1

оси

через

12

ч после

после

взрывных работ

взрывных работ:

1—3 — ira

расстоянии

соот­

ветственно

1,2

и

3

м

Это значит, что при пересечении пластов наиболее

рационален

та­

кой режим ведения работ, когда взрывные работы

для

подвигания

забоя ствола ведутся не чаще одного раза в сутки.

Кроме того, неравномерность распределения напряжений под­

тверждается

как в

момент

взятия

очередной

заходкп

(кри­

вые

4—6).

так

и

в

процессе

\

61

развития

деформации

во

времени (кривые

1—3).

Подводя

итог

работам

по

изучению

характера

рас­

пределения

напряжений

в

окрестности

забоя

ствола,

можно

сделать

следующий

ж

вывод,

имеющий

значение

для

выбора

способов

борь­

бы

с выбросами и разработ ­

.

-гтт-

/

Р

ке схем

их

применения.

В

окрестности

забоя

Рис.

26.

Распределение

напряжений

вбли­

ствола

можно

выделить

три

зи

забоя

вертикального

ствола

зоны с

различным

характе ­

ром

распределения

напря­

жений (рис. 26).

Зона

I , которую

можно

назвать зоной

«обычных»

деформаций .

П о

характеру

распределения напряжений

устанавливается

анало ­

Зона

I I I — зона разгрузки от повышенных напряжений .

Преоб­

л а д а ю щ и е деформации аксиальные. Р а з м е р

зоны I I I

существенно

зависит

от диаметра отвола.

Зона

I I — переходная. Отличительными

чертами

зоны

I I яв ­

ляются

минимальные деформации массива

и сохранение повышен­

ных напряжений вплоть до кромки угла забоя отвола.

газа

в области

обнажения пласта

выработкой,

в

свою

очередь

зависят от характеристики напряженного состояния

массива.

Вопросу

изменения

проницаемости угля

с изменением

прило­

ж е н н о й к нему нагрузки посвящено

достаточно

много исследова­

ний,

вывод

из

которых

может быть

четко

сформулирован как

венной близости от кромки забоя может увеличиваться

в 100^—

500

раз [46]. В работе Б. Г. Тарасова,

например

[47]

показано,

что

изменение проницаемости угольных

пластов у

обнаженной по­

В окрестности

забоя ствола

происходит деформирование окру­

ж а ю щ е г о

массива

и

изменение

его

напряженного

состояния,

что

вызывает

изменение

коллекторских

свойств этого

массива.

При ­

скости забоя, как было показано

выше, деформируются

по-разно­

му и, следовательно, обладают

различными

фильтрационными

свойствами. Эта разность зависит

как от угла

падения

пласта,

мощности и сложности его строения, так

и от ориентации основ­

ной системы естественной трещиноватости

угольного массива.

Если рассматривать забой, расположенный в крутом и пологом

пласте, то можно отметить следующее. В

крутом пласте радиаль ­

скостям наслоения, сцепление массива по которым весьма

малое .

Это в свою

очередь

вызывает

дальнейшее

снижение

напряже ­

ний в прилегающей к забою части

массива

и дальнейшее

развитие

трещин. В этом случае раскрытие

трещин и увеличение газопро­

ницаемости

пласта

происходит

на

максимально

возможную глу­

бину.

В полого

з а л е г а ю щ е м пласте

растягивающие

силы

не

смогут

тельно меньше. Этим и будет в основном определяться

различие

газофильтрационного

режима

при

пересечении

стволом

пологого

мощного и крутого пластов.

Д л я оценки газофильтрационного

режима

при

пересечении

угольных

пластов стволами

были

проведены

экспериментальные

работы на шахтах «Ноградская» и

им. Ворошилова в Кузбассе и

на шахте им. 50-летия Октября в Карагандинском

бассейне.

Работа была выполнена по следующей методике. Первый этап

состоял в замере скорости истечения газа

из шпуров разной длины.

С этой целью после вскрытия Стволом №

5 пласта

I I

Внутреннего

на

шахте

«Ноградская»

бурили

шпуры

длиной

1,9;

2,8

и

4

м.

Д л я

отделения газовой

камеры использовались

механические

гер­

метизаторы. Д л и н а газовой

камеры

во

всех случаях была

принята

1,5

м. З а м е р

скорости газовыделения

осуществляли

ротаметром

РС-За.

Результаты

опыта

(средние

по

трем

з а м е р а м )

представлены

в

табл . 16.

Т а б л и ц а 16

Номер

Расстояние от

Скорость

газовыделешія,

Длина шпура,

м

м а / ч , через

шпура

борта стпола, м

'1 ч

2-1 ч

2

0,5

1,9

0,003

0,012

0.5

1,9

0,004

0,014

о

2,0

1,9

0,016

0,004

4

2,5

1,9

0,014

0,006

5

2,0

2,0

0,038

0,010

6

1,0

4,0

0,036

0,028

7*

0,1

2,8

0,024

0,032

что проявляется

в увеличении газовыделения .

Второй этап

работы з а к л ю ч а л с я в замере общего газовыделе­

ния в процессе

обнажения и пересечения пласта. З а м е р ы

газовы-

деленпй проведены при обнажении и пересечении пласта

I I I Вну­

им.

Ворошилова и пластов К\2 и Кю на шахте им. 50-летия

Октяб ­

ря.

Причем пласт

I I I Внутренний

залегает под углом 70°, а

пласты

К\2

и Кю мощные

(соответственно

9,7 м и 4,6 м) , пологие.

ваемого к забоям стволов, принято по результатам

контрольных

замеров: по

стволу № 5—250 м3 /мин; по

стволу

№

5 - бис —

2 2 0 м 3 / м и н ; по стволу № 8 — 504 м 3 /мин.

Н а рис. 27

показан характер выделения

газа в

ствол

при пе­

При обнажении пласта стволом скорость

выделения

газа

из

угля

в 20 раз больше, чем в процессе пересечения его. После

об­

нажения стволом забой последнего в значительной степени

разгру­

жает угольный пласт. Так, в условиях вскрытия

пласта I I I Внут­

реннего

(угол падения 60°), уж е после входа

ствола в пласт всего

на

3

м газовыделение с 1 м 2 обнаженной

поверхности

пласта

уменьшилось в 5—6 раз, а при входе ствола

в пласт на 5 м — в

14—19

раз. Учитывая, что характер газовыделения

свидетельствует

пределением

его напряженного

состояния, можно считать, что по

этому

признаку условия

реализации внезапного выброса после

входа

ствола

в угольный

пласт

менее благоприятны. Наиболее

рости выделения газа из угля

при его обнажении и в процессе

дальнейшего

пересечения

менее

значительна

(кривые

3—4).

Выделение

газа

'лз

пласта

может

происхо­

дить

еще

до

обнажения

Ггзовыделение,м3/ч

м г

пласта

забоем

ствола.

W

30

20

10

Возможность

дренирую­

щего

влияния

ствола

на

угольный пласт при под­

i"

ходе к нему по породам

кровли зависит от проч­

ности и степени трещино-

ватости

этих

пород.

В

Sä

*:

практике

вскрытия

уголь­

«а

-

ных

пластов

имеются мно­

гочисленные

примеры сни­

;S SI

жения

давления

газа

в

пласте

до

безопасных

пределов

еще

до

вскры­

тия пласта. При проход­

ке,

например,

клетевого

6

,

ствола шахты № 5 «Тав­

ричанская»

комбината

Га.зоіыделени.е,н3/ч

»•

Приморскуголь

выделе­

^*0.6

1,2

1,8

2,4

ние газа из пласта Слои­

стого

I I I

началось

с

рас­

стояния

до

пласта

бо­

's*

лее

20

м.

•

II*

В то ж е время

имеют­

ся

случаи

сохранения

давления

газа в

пласте

.§§

6

Г

при

расположении

выра­

ботки

вблизи

пласта

в

05

a

течение

длительного

вре­

I

8

мени.

Так,

по

данным

«Л

«

Р . М. Кричевского

L48J,

10

на

шахте

«Красный

Про -

Рис. 27. Газовыделение в ствол при пересече­

финтерн»

давление

газа

нии

крутых

(а) и

пологих (б)

угольных пла­

в пласте

М а з у р к а ,

заме ­

стов:

ренное

с

расстояния

4

м,

' — пласт

I I I

Внутренний

(шахта

«Ноградская>);

не

изменилось

в

течение

2 — пласт

I I I

Внутренний

(шахта и м . - В о р о ш и л о в а ) ;

3— пласт

Ка

(шахта

им.

50-летия Октября): 4— пласт

4,5

м е с ;

с

уменьшением

Кю

(шахта

им .

50-летия Октября)

величины

породной

проб­

вает необходимость

учета характеристики в м е щ а ю щ и х пород в

к а ж д о м конкретном

случае вскрытия пластов.

относительно забоя ствола. Впереди забоя в

области,

прилегаю­

щей к центру ствола, существует значительная

разгрузка

массива.

Практически при величине очередной заходки

не более

1,5—2 м

пласта

в области, прилегающей к центру

ствола,

весьма

мала .

В области, прилегающей к углу ствола, сохраняются

повышенные

напряжения, и в момент взятия очередной

заходки

(переход

части

массива из зоны I I в зону I) потенциальной энергии

угля

может

оказаться достаточно для реализации первой фазы

выброса.

Н а

крутых пластах процесс разрушения

угля может быть уси­

лен обрушением нависающей ослабленной

части массива.

пересечения

пластов

стволами

способов

упрочнения

угольного

массива в части, прилегающей

к углу

ствола.

По В. В. Ходоту

L15]

на работу

смещения

(отжима) угля

чаще всего

расходуется

полностью

вся

потенциальная

энергия,

о с в о б о ж д а ю щ а я с я в

угольных

пластах,

д а ж е

с малопрочным

породы

затруднен

главным

образом

силами тяжести .

Поэтому

одним

из основных

условий

протекания

внезапного

выброса в

стволах является возможность выноса горной массы в ствол.

Считая, что к моменту начала фазы выноса угля в выработку

горный

массив у ж е

раздроблен за

счет

действия

упругих

сил

при

внезапном обнажении

угля,

энергию

движения

отбрасываемого

угля можно представить как кинетическую

энергию

выносимой

•массы угля и породы

Е = ^

,

.

(1.50)

где

m — масса выбрасываемых угля

и породы;

ѵср

— с р е д н я я скорость движения .

П р и

этом считается, что породы «пробки» дробятся

при

веде­

нии взрывных работ по обнажению

пласта.

Д л я

того чтобы процесс выноса угля

из полости в ствол длился

время

t, необходимая

минимальная

средняя

скорость

движения

горной

массы д о л ж н а

быть

равной

tg,

где g

— ускорение

свобод­

ного

падения.

Тогда выражение

(1.50) запишется в

виде

Е = —

mp2t2.

(1.51)

2

0

Если принять процесс расширения газа на стадии выноса угля

адиабатическим, энергия расширения газа

к— 1

(1.52)

где ро — атмосферное давление,

кгс/см2 ;

Ѵ0

— объем газа, участвующего

в выбросе, м 3 ;

Рвыо

— н а ч а л ь н о е

давление

газа

в волне выброса,

кгс/м 2 ;

к

— показатель

адиабаты для

метана.

Величину рвыб можно оценить, используя данные С. А. Христи-

ановича

[19].

Начально е давление волны выброса

(кгс/см2 )

для четырех

ис­

ходных

величин давления газа в пласте (кгс/см2 )

равно:

Исходное давление газа в пласте, кгс/см2

. 1 0

20

30

40

Начальное давление волны выброса,

кгс/см 2 . 9,8

19,4 28,4 37,1

При

выносе раздробленной

горной

массы

не

вся

энергия

газа

между кусками угля. Если принять коэффициент разрыхления

раз­

дробленной

массы

равным 1,4 и естественную пористость

угля 5%,

то полезная

энергия

расширения

А' =

0.69Л.

(1.53)

П р и р а в н я в

А'

к Е и заменив

ѵср

на ѵЕ,

определим объем

газа,

необходимый для

выноса угля и породы

при

вскрытии

пласта

стволами диаметром

от 3 д о 8 м.

Результаты

расчетов

по формуле

(Г.52) приведены в

табл . 17.

• Если

принять,

что' в

первый

момент выброса

в

нем

участвует

20%

сорбированного

углем газа

[19], то с учетом

свободного

газа

(10%

от общего)

можн о предположить, что в первый момент в

выбросе участвует 28% всего находящегося в угле газа.

Расчет

количества

газа,

участвующего

в выносе

угля

в

первоначальный

момент

выброса,

с ч и т а я - п о эффективной

метаноемкости

угля,

приведен в табл . 18.

Н а рис. 28 представлены графики зависимости объема

газа,

необходимого

для

выноса угля и породы в ствол,

а т а к ж е

объема

газа,

выделяющегося

в процессе

выброса,

от его давления

в

уголь­

Т а б л и ц а

17

Давление

Диаметр

Минимальный объем газа, необходимый

для выноса угля (м)

при

выбросе силой

по углю, тс

газа в

ствола в

пласте,

проходке,

к г с / с м 2

м

10

50

100

500

1000

3

87

168

260

1310

4500

4

140

218

320

1370

4630

5

5

209

286

384

1470

4770

6

283

360

457

1560

4950

7

392

470

566

1770

5180

8

514

592

690

1850

5470

3

56

109

168

842

2900

4

90

141

206

887

3000

10

5

134

185

247

940

3070

6

182

232

295

1020

3180

7

252

302

365

1140

3350

8

330

380

443

1200

3520

3

46

89

138

685

2370

4

74

115

168

728

2430

15

5

ПО

150

200

772

2510

6

148

190

240

720

2600

7

206

246

300

930

2730

8

270

310

361

973

2870

3

42

80

125

623

2160

4

68

105

153

660

2220

20

5

100

137

183

700

2300

6

136

173

220

748

2370

7

190

225

270

845

2490

8

248

284

328

890

2720

3

34

65

100

500

1740

4

54

84

123

530

1780

30

5

80

ПО

147

565

1840

6

108

139

176

600

1900

7

152

180

218

680

2000

8

198

228

265

713

2100

Т а б л и ц а

18

Количество

газа

( м 3 ) , участвующее в выносе

угля и

породы

Сила

при

давлении

газа в пласте,

кгс/см 2

выброса,

тс

5

10

15

20

30

40

10

19,3

27,6

30,1

33,8

37,0

39,2

50

96,5

138

150,5

159

185

196

100

193

276

301

318

370

392

500

965

1380

1505

1590

1850

1960

1000

1930

2760

ЗОЮ

3180

3700

3920