книги из ГПНТБ / Проходка шахтных стволов в условиях выбросоопасных пластов

50О|

6\

— V л

а"

W\

\

«1

I

т . І\ г

*

JOO;

* Ѵ> х

§

гоо

wo

о г—' 5

10

15

20 25

30

5

10

15

20

25

30

Условные

обозначения.

}800\

5<

-о— Минимальный

объем газа.,

необходимого для Выноса

1100

угля,

м3

г~ - Количество газа,участ-

1В00\

¥

дующее 8

выбросе

>

1500

3<ÄU

\ >Ш\

гт\\ѵ

1300

• н\\ѴІ

в

1100\

700

5<і

1000

S0O

5\

900

г.

too

з

wo

2\

800\

Cl}

700

I зоо\

1\

800

гоо

500\

:оо

о

10

15

20

25

30

0

5

10

15

20

25

30

Давление

газа., кгс/снг

„ .

Рис. 28. Графики зависимости объема

газа,

необходимого

для

выноса

угля и породы

й

участвующего в выбросе от его давления в пласте при

различных

силе

выброса и

диаметре

ствола:

ром

может

развиваться заключительная

фаза

выброса — вынос

угля

и породы,

для стволов

диаметром

3 м

составляет

около

6 кгс/см2 ,

а для

наиболее

распространенных

стволов

диаметром

6 м и выше — около 8 кгс/см2 .

По минимальному значению давления газа можно оценить и

минимальные глубины, с которых в обычных условиях

залегания

могут появиться внезапные выбросы угля и газа в стволах.

Используя данные

О. И. Чернова [49]

о зависимости

давления

газа

от глубины

залегания

пласта,

имеем

рѵ

=

0,12Н

— 22.

(1.54)

Тогда для стволов диаметром 6 м и более минимальной

глуби­

ной

развития фазы выноса

угля в стволе будет 250

м.

Д а н н ы е

практики

вскрытия

угольных

пластов

стволами

под­

т в е р ж д а ю т

этот

вывод.

При пересечении мощных или крутопадающих угольных

пла­

стов

наиболее выбросоопасной

является

область,

прилегающая к

углу

ствола. При этом импульсом

развития выброса может

быть

высыпание нависающей части угольного массива,

особенно на

крутых пластах. Однако минимальное давление газа

(начальное),

Таким образом,

на основании полученных результатов

можно

сделать следующие

выводы:

1. При проведении вертикальных стволов с поверхности

шахт

необходимость применения специальных мероприятий по

борьбе

чающееся

от

такового при

проведении горизонтальной

выработки .

В окрестности забоя ствола м о ж н о выделить три зоны

с

различ­

ным характером распределения напряжений:

f

I — зона

обычных деформаций . П р е о б л а д а ю щ и е

деформации

радиальные . П о характеру

распределения

напряжений

усматри ­

вается некоторая аналогия

с горизонтальной

выработкой.

I I — переходная

зона.

Отличительной чертой являются мини­

мальные деформации массива и сохранение повышенных

н а п р я ж е ­

ний вплоть до кромки угла

забоя ствола.

I I I — зона разгрузки от

повышенных напряжений . П р е о б л а д а ю ­

щие деформации аксиальные. Р а з м е р зоны

существенно

зависит

от

диаметра

ствола.

3. Характер распределения напряжений в окрестности

забоя

ствола от

величины

диаметра ствола не зависит. Д и а м е т р

ствола

оказывает

влияние

на величину напряжений

рассматриваемой

ча-

сти

призабойной области

массива.

Величина

напряжений

любой

из

точек

массива

вблизи забоя ствола зависит т а к ж е от

глубины

залегания

от поверхности.

С увеличением глубины залегания об­

ласть пониженных

до безопасных

пределов

напряжений

впереди

увеличением

глубины необходимо уменьшение

величины

заходки

до 1—1,5

м.

4.

В

результате экспериментальных

работ

д о к а з а н а

неравно­

мерность

распределения напряжений (деформаций)

призабойной

зоны массива не только относительно осей симметрии

плоскости

забоя

ствола,

но и элементов залегания пласта. Н а крутых пластах

величина

напряжений в пласте в направлении вкрест

простирания

больше, чем в направлении по простиранию.

Практическое значение для разгрузки

призабойной

части пла­

5. Н а и б о л ь ш а я

вероятность

развития выброса

по газовому

фактору — на этапе

обнажения

пласта. Причем при

слабой тре­

мере

подхода забоя ствола к пласту. Н а

этапе пересечения

мощ ­

ных

или крутых

пластов

наиболее опасной

является область,

при­

л е г а ю щ а я к углу

забоя

ствола; импульсом

к развитию внезапного

выброса может явиться высыпание угля .

сечение на

период пересечения пласта нецелесообразен.

Г л а в а

I I I

ЭФФЕКТИВНОСТЬ СПОСОБОВ БОРЬБЫ

С ВНЕЗАПНЫМИ ВЫБРОСАМИ

§ 1. Оценка способов борьбы с выбросами

Опыт вскрытия выбросоопасных

пластов квершлагами не мо­

жет быть

механически перенесен в условия вскрытия пластов

вертикальными стволами

. Это в равной степени

относится к а к к

общим мероприятиям

по

обеспечению безопасных условий

труда,

т а к и к специальным

способам предотвращения

внезапных

выбро­

дилось сочетание

таких

способов,

которые

не противоречат друг

другу.

Анализ

выполняли

методом

последовательного

исключения.

Д л я этого

вначале

устанавливали

перечень

способов,

принципиаль-

63

тикальными стволами. З а т е м

из

перечня принципиально

возмож ­

ных способов

исключались

малоэффективные и технологически

сложные на

основе непосредственных

экспериментов

в

забоях

вертикальных

стволов и на

базе

ранее

полученных

результатов

стволов. И, наконец,

выявлялись наиболее целесообразные элемен­

тарные способы и их

комбинации.

Практика ведения горных работ и результаты

исследований

дали значительное число локальных способов борьбы

с внезапны­

П р е ж д е всего

следует иметь

в виду,

что процесс

вскрытия

пласта состоит из

двух этапов:

обнажение

пласта, перед

которым

сечения пласта, когда способы борьбы

с выбросами

осуществ­

ляются только по углю. При вскрытии

пластов малой

мощности

непригодны

д л я

этапа пересечения

мощного

пласта

(дегазация

с к в а ж и н а м и

малого

диаметра,

штанговая крепь); третьи

вообще

трудно

применимы

в

условиях

нисходящих

забоев,

какими яв­

ляются

вертикальные

стволы

(полости гидровымыва,

передовые

щели канатных

или

цепных пил) .

Четвертые,

такие,

как

пассив­

бы с внезапными

выбросами:

дегазация

с к в а ж и н а м и малого диа­

метра, дегазация

и разгрузка

с к в а ж и н

а м и большого диаметра,

ная и передовая крепь по

с к в а ж и н а м , штанговая крепь, активный

предохранительный щит (в

варианте выбуривания ствола по всему

сечению), тампонирование

(упрочнение

с м о л а м и ) ,

камуфлетно -

сотрясательное взрывание

и торпедирование,

з а м о р а ж и в а н и е ,

ги­

д р о о т ж и м угля.

Большинство из перечисленных способов борьбы с выбросами

применимы как для обнажения угольного

пласта,

т а к и

д л я

его

пересечения,

и лишь два способа — дегазация

с к в а ж и н а м и

малого

диаметра и

гидроотжим — могут применяться

только на этапе

об­

При бурении одной из с к в а ж и н для каркасной крепи

произошел

мпкровыброс

мелкого угля

и

газа,

в результате

чего

давление

газа

в

контрольной

с к в а ж и н е

мгновенно

снизилось

с

32

д о

17,5

кгс/см 2

м

затем

в о з р о с л о

до 31 кгс/см2 . В момент буре­

ния

скважин,

расположенных

вблизи

контрольных

ш п у р о в т

ю го Ja чо so so io so so wo no no iso

давление

газа

снизилось

с

37

Время, V

до 25

кгс/см 2

за

10

ч

и з а т е м

стабилизировалось

до

момента

Рис.

30.

График

замера давления

газа

вскрытия.

при

вскрытии

пласта

Тройного

шахты

Таким

образом,

д а ж е

на­

«Капитальная»

и

одновременном

буре­

нии скважин

под

каркасную крепь:

личие

нескольких

с к в а ж и н

/ — / — спад

давления

газа, связанный

с

мик­

диаметром

52

мм

привело

к

ровыбросом

» соседнюю

скважину;

II—II

—

спад

давления

газа,

связанный с бурением

снижению

давления

газа

на

соседних

скважин

32,5%

от

первоначального.

П р а к т и к а вскрытия выбросоопасных пластов

с

применением

естественной

дегазации показала,

что естественное

газовыделение

ков

на

снижение

давления

газа

д о

безопасных

пределов.

Д л я

1.0

ускорения

сроков

д е г а з а ц и и

в некоторых

случаях

приме­

z

няют

вакуумирование

сква ­

J

*

жин,

а т а к ж е прогрев

уголь ­

?

ного

пласта.

«3

Эффективность

д е г а з а ­

Б

ции

пласта перед

его

вскры­

*0,Ч

тием

можно

подтвердить на

6

примерах

вскрытий

в

Куз ­

бассе,

Д о н б а с с е

и

Ворку-

тинском

месторождении.

Время,еут

На рис. 31 показан гра­

фик газовыделения из сква­

Рис. 31. График газовыделеиия из

скважин

жин

с применением

ваку ­

при

вскрытии

пласта

I I I Внутреннего

на

ума

при

вскрытии

квер­

шахте

«Коксовая»:

шлагом

пласта

I I I

Внут­

2.

3 — газовыделение

из

контрольных

скважин

р е н н е г о '

на

шахте

«Коксо­

№

1,

2.

3

вая». Мощность пласта в

месте вскрытия 4,5 м, угол

падения

39°. Д л я

откачивания

газа

применяли

передвижную

вакуумную установку

с

насосом

Р М К - 2 .

Дебит

отдельных

скважин

в

начале

дегазации

составлял

0,6—

0,8 м3 /ч

в

конце

дегазации 0,1

м3 /ч.

При

вскрытии

пласта

I V

Внутреннего

на этой

ж е

шахте

было

замерено газовыделение

при

естественном

истечении

и

при

ваку-

ѵмировании. З а м е р ы

показали,

что если при естественном истече­

нии

газа среднее газовыделение

из с к в а ж и н

составляет 0,12 м3 /ч,

то

при вакуумировании

оно достигает

1,21

м3 /ч, т. е. возрастает

в 10 раз.

Высокая эффективность способа дегазации с применением ва­

куума

подтверждается

т а к ж е

практикой

его использования на

ряде

шахт Д о н б а с с а

[50, 16]. Так, на

шахте

«Мария - Глубокая»

вакуумом в

1962—1964

гг. производили

около

20 раз. При вскры­

тии пласта

U давление

газа

было снижено

с

25 до 10

кгс/см2 , в

2 раза

быстрее,

чем при помощи дегазации с естественным

исте­

чением

газа

(за 9—10

сут вместо 15—20

сут) . Н а

шахте

«Тома-

ш е в с к а я - Ю ж н а я »

при

проходке вентиляционного

ствола

метано-

выделение после

дегазации

под вакуумом

сократилось

более чем

в 5 раз.

Д е г а з а ц и я и разгрузка

с к в а ж и н а м и

б о л ь ш о г о

д и

а м е т -

р а я в л я ю т с я

одним

из наиболее

эффективных

способов

предотвращения

внезапных

выбросов

угля

и

газа . Пр и

бурении

с к в а ж и н происходит значительное снижение

напряжений

в

масси­

газовыделение из угольного массива по длине

одиночной

с к в а ж и н ы

уменьшается от забоя в глубь массива до

минимального

значе ­

ния на расстоянии 2,5—5 м, затем увеличивается, достигая

наи­

больших значений на расстоянии 6—7 м. При бурении

последую­

щих с к в а ж и н активная зона газоотдачи

отодвигается в

глубь

мас ­

сива на расстояние до 8—9 м.

В практике вскрытия и пересечения

угольных пластов

имеется

ных прослойками глинистого сланца мощностью

0,2—0,7 м. Д а в ­

ление газа в месте вскрытия составляло

23 кгс/см2 . Б ы л о

пробу­

рено 6 скважин, в результате давление газа было снижено

практи­

чески до нуля.

В Кузбассе при пересечении

пласта

I V Внутреннего

ю ж н ы м

и северным квершлагами на шахте «Коксовая» с успехом

приме­

няли скважины диаметром 300 мм, причем вскрытие пласта

произ­

водили под защитой дегазационных скважин с

вакуумированием,

а с к в а ж и н ы

диаметром 300 мм

бурили

после

входа к в е р ш л а г а

в угольный

пласт.

возникнуть условия применения способов по

борьбе с выбросами

в два этапа . П р и

пересечении пластов,

когда

забой

ствола вскроет

угольный пласт,

возможно применение

с к в а ж и н

большого д и а ­

метра.

вующих выработок шахты, возможно применение

с к в а ж и н большо­

го диаметра для предотвращения выбросов к а к

при

вскрытии,

т а к

и при пересечении пласта. С к в а ж и н ы

в этом случае

бурят

из

вы­

работок шахты по угольному пласту.

К способам, основанным на разгрузке пласта от повышенных

напряжений с одновременной его дегазацией,

относятся

способ

создания п е р е д о в ы х п о л о с т е й

п щ е л е й ,

а т а к ж е

г и д ­

р о р а з р ы в у г о л ь н о г о п л а с т а .

чается от такового при бурении

скважин . При

вскрытии пластов

к в е р ш л а г а м и способ

предварительного вымывания угольного м а с ­

сива гидромонитором

применяют

ограниченно.

При вскрытии и

способность. При достижении определенного

д а в л е н и я нагнетания,

называемого критическим, оно стабилизируется.

В

этот

момент

происходит

нарушение

целостности

пласта — образуются

трещины,

происходит

разгрузка

пласта от повышенных

напряжений . При про­

ведении

гидроразрыва

пласта Д е р е з о в к а на шахтах

им.

К а р л а

М а р к с а

и

«Красный

Профинтерн»

критическое

давление

состав­

л я л о от

90

до 350 кгс/см2 . Опыт гидроразрыва пласта

Д е р е з о в к а

показал, что процесс гидроразрыва неуправляемый .

Н а шахте «Северная» в Кузбассе

был успешно

применен

гидро­

р а з р ы в пласта Безымянного перед вскрытием

его квершлагом № 3

на глубине

300 м. Однако судя по

времени

нагнетания,

которое

составляло

от 12 до 21 ч на одну скважину, здесь

происходило

предварительное усиленное у в л а ж н е н и е угля .

1

с о т р я с а т е л ь н о м

в з р ы в а н и и ,

показало

заметное снижение

давления газа, однако

разгрузки пласта, как ожидалось, получить

не удалось . Так, замеры деформаций

угольного

пласта при к а м у ф -

жет начаться высыпание

угля, что явится толчком к

р а з в я з ы в а н и ю

внезапного выброса.

В Донецком бассейне

этот метод иногда применяют в сочета­

нии с нагнетанием

воды,

причем

вначале производят

камуфлетное

взрывание . Такое

сочетание двух

способов увеличивает эффектив ­

опасных пластов с

соблюдением необходимых правил

безопас­

ности.

При вскрытии пластов вертикальными стволами м о ж н о реко­

мендовать применение камуфлетного взрывания

т а к ж е

в сочета­

нии с нагнетанием

воды при вскрытии пологих

и

наклонных

пластов.

соба ^предупреждения

выбросов угля

и газа, так ка к

в этом

слу­

чае м о ж н о взрывать

з а р я д ы повышенной мощности,

т. е. по

сути

дела

применять

метод торпедирования

угольного

массива .

Н а

шахтах

Д о н б а с с а

успешно

применяют

торпедирование

угольного массива с гидрозабойкой при очистной

выемке

угля .

Опыты по исследованию

эффективности

способа

торпедирования

с гидрозабойкой и практическое его применение на ряде шахт

Д о н ­

басса

позволяют сделать

следующие

выводы:

педирования при

вскрытии выбросоопасных

пластов вертикальны­

ми стволами.

Сущность способа борьбы с внезапными

выбросами угля

и

газа

у в л а ж н е н и е м

у г о л ь н о г о

м а с с и в а

заключается

в

сле­

дующем .

При проникновении воды в

уголь последний становится

более

растают его остаточные деформации . В связи с

этим при

повыше­

нии нагрузки на увлажненный участок пласта деформации

масси­

ва в сторону выработки протекают

плавно, т. е. в значительной

степени снижается вероятность развития первой

фазы

внезапного

выброса — быстрого хрупкого

разрушения угля .

•При увлажнении угольного

пласта

снижается

т а к ж е

роль газо­

ведены данные лабораторных

исследований метановыделения из

сухого и увлажненного

угля [51] .

Т а б л и ц а

19

Время после

Метановыделенне из у г л я ,

Уменьшение

газо-

см'/ч

выделеннн

из

обнажения

угля (откры­

увлажненного

тия колбы), ч

сухого

увлажнен­

угля

по сравнению

ного

с

сухим,

%

0,5

6,0

2,9

52

1

10,1

3,6

64

2

13,9

4,4

68

3

14,4

5,0

65

4

14,9

5,4

64

8

15,8

6,7

58

24

18,4

8,8

52

120

21,2

11,5

46

240

22,3

12,8

42

Н а б л ю д е н и я

показали, что в неувлажненных зонах

(влажность

1,48

и 2,17%) м а к с и м а л ь н а я величина газовыделения

после

взры­

вов

составляла

2,25 и 1,40 м 3 /мин, в увлажненных зонах

( в л а ж ­

ность 3,3%)

м а к с и м а л ь н а я величина газовыделения не

превышала

1 м 3 /мин .

Многочисленный опыт вскрытия пластов с применением

у в л а ж ­

нения показал,

что интенсивность газовыделения, к а к

это предпо­

лагалось, не увеличивается, а в некоторых

случаях д а ж е

умень­

шается .

В

настоящее

время принят следующий

порядок

у в л а ж н е н и я

пластов при

вскрытии пластов. Б у р я т одну

или несколько с к в а ж и н

(в зависимости от сечения вскрывающей выработки),

устье их гер­

метизируется

и

в определенном режиме в пласт нагнетается вода.