книги из ГПНТБ / Карагодин Л.Н. Способы борьбы с внезапными выбросами угля и газа

Это связано с изменением напряженного состояния угольного мас­ сива за счет частичного разрушения угля в призабойной зоне, обус­ ловившего некоторое увеличение зоны предельного состояния.

Можно отметить, что по сравнению с пластом Пятым на пласте Двойном отмечается незначительное удаление от забоя области максимальных давлений в зоне опорного давления. Это, очевидно, связано как с большей мощностью пласта Двойного, так и с боль­ шей шириной выработанного пространства при разработке этого пласта (8 м п о пласту Двойному и 2 м по пласту Пятому).

§22. ИЗМЕНЕНИЕ РАДИУСА ДРЕНИРОВАНИЯ СКВАЖИН

ВЗАВИСИМОСТИ ОТ СКОРОСТИ ПОДВИГАНИЯ ЗАБОЕВ

Скорость дренирования газа из угольного пласта в пределах эффективного радиуса дренирования зависит от давления газа в пласте и фильтрационных свойств угля.

С точки зрения защиты от внезапных выбросов угля и газа

опережающих скважин и от забоя самой выработки. Суммарный дренирующий эффект зависит как от числа скважин, так и от ско­ рости подвигания забоя.

Взаимное влияние этих зон в зависимости от скорости подви­ гания забоя исследовалось следующим образом.

На основании данных Ю. А. Липаева [42] о влиянии скорости проведения выработки на характер распределения газового давле-' ния впереди нее рассчитаны кривые изменения давления газа в зависимости от расстояния до забоя выработки для разных скоро­ стей проведения (рис. 59).

При работе с предварительным бурением скважин большого диаметра минимальное опережение скважинами забоя выработки принято 5 м. Поэтому в дальнейшем формирование радиуса дре-

ннрования определяется для участка пласта на расстоянии 5 м

Скорость подвигания забоя оказывает значительное влияние на формирование зоны дренирования (рис. 60). Так, при скорости проведения выработки 0,003 м/ч величина условного радиуса дре­ нирования равна 0,9 м, а при скорости 2,5 м/ч — 0,2 м. Этому соот­ ветствует величина падения давления газа за 24 ч на 60 и 8% от начального пластового давления.

Число опережающих скважин, достаточное для безопасного проведения подготовительных выработок на выбросоопасных пла­ стах, определяется исходя из эффективного радиуса дренирования скважинами угольного массива. Методика определения зоны влия­ ния скважин и условия их применения на мощных пластах были даны ранее в работе ВостНИИ [43]. За исходные были приняты результаты определения радиуса дренирования скважин по пласту Владимировскому шахты «Северная».

Исследования, проведенные на этом пласте, показали (рис. 61), что зона дренирования в плоскости пласта на пятиметровой от­ метке от кромки забоя достигает наибольшего значения при нали­ чии в забое трех скважин. Если после окончания бурения одной дренажной скважины радиус дренирования составлял 1,24 м, то при двух и трех скважинах он уже увеличился соответственно до

1,5 и 2,2 м. Таким образом, при наличии трех скважин угольный массив в окрестности забоя выработки доведен до относительно безопасного состояния.

Характер и величина распространения зоны дренирования на различных расстояниях от кромки забоя за 24 ч бурения трех дре­

Рис. 61. Дренирующее влияние скважин на призабоііпую зону угольного массива:

а — давление газа в контрольных скважинах при бурении д р е н а ж н ы х скважин; б — зона дренирования при наличии тпех скважин; 1—8 — номера контрольных скважин и соответствующие им графики

ровой отметки от забоя определяется конкретными точками, соот­ ветствующими радиусам дренирования, значения которых получе­ ны прямыми замерами. Продолжение кривой за 5 м экстраполиро­ валось на основании результатов натурных исследований.

Полученные данные позволили зону, ограниченную линией АА (рис. 63), принять за исходную при скорости подвигания забоя, равной нулю. В случае подвигания забоя с большими скоростями кривые радиуса дренирования будут располагаться ниже ли­ нии АА. При максимальной скорости подвигания эффект влияния скважин будет лишь несколько превышать размеры их диаметров. Однако для некоторых скоростей (0,003; 0,05; 0,1; 0,2 м/ч) зона разгрузки не будет опускаться ниже граничной линии АА. Это

§ 23. ВОЗМОЖНОСТЬ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕЙСТВИЯ СКВАЖИН

ПО С Д В И Ж Е Н И Ю БОКОВЫХ ПОРОД ПЛАСТА

С точки зрения оценки эффективности действия скважин пред­ ставляет интерес решение задачи о взаимоувязке сдвижения бо­ ковых пород пласта впереди забоя со сдвижениями пород в выра­ ботанном пространстве. Рассмотрим этот вопрос для условий очистного забоя. Основными величинами, характеризующими сдви­ жение кровли в пределах рабочего пространства [44], являются на­ чальное смещение кровли над забоем ыо и относительное смещение кровли в конце рабочего пространства и0 (рис. 64). При этом ио зависит от совокупности условий проявления опорного давления впереди очистного забоя.

Используя общие методы теории размерностей, которые спра­ ведливы как при упругих, так и при неупругих деформациях пород кровли, К. В. Руппенейт получил следующую формулу для на­ чального смещения кровли над забоем:

где а — безразмерный коэффициент, определяемый по результатам шахтных наблюдений; /г п л — мощность пласта, м; у — объемный вес пород кровли, тс/м3 ; Н — глубина разработки, м; Еил — модуль пропорциональности напряжений и деформаций угля, тс/м2 .

Очевидно, что деформации угля впереди забоя с увеличением расстояния от него постепенно будут уменьшаться. Поэтому де-

пенейт получил также следующую формулу для определения сме­ щения кровли в конце рабочего пространства и0:

. і = і / , ж + 6 ( 4 ) г _ 4 , (ІІ.58)

где с и 6 — безразмерные коэффициенты, определяемые по резуль­ татам шахтных наблюдений; Е — модуль пропорциональности на­ пряжений и деформаций пород кровли, тс/м2 .

Умножив обе части равенства (11.58) на 5, получим

соким давлением газа и к тому же сложен интенсивно перемятым углем, принимаются наиболее эффективные способы предупрежде­ ния выбросов или комплекс этих мер. Однако при выборе способов вскрытия выбросоопасных пластов приходится учитывать и целый

При вскрытии мощных пластов, подверженных внезапным вы­ бросам угля и газа, для обеспечения безопасности проходки наи­ более широко используется способ дегазации пласта дренажными скважинами. Этот способ прошел широкие промышленные испы­ тания в самых разнообразных условиях. С применением дренажных

ренний, Мощный на шахте «Коксовая» и ряд других. Чтобы создать по периметру квершлага защитную зону шириной не менее 1,5 м, скважины располагают по контуру его сечения. При вскрытии пла­

расстояния перед пластом скважины пробурены. При вскрытии же пластов средней мощности и мощных расстояние, с которого бурят скважины до пласта, имеет исключительно большое значение. От

серии скважин создать необходимую защитную зону невозможно, скважины бурятся в несколько этапов по мере подвигания забоя.

При вскрытии пластов квершлагами с возрастанием угла па­ дения пласта становится возможным применять более разнообраз­ ные способы борьбы с выбросами. В случае же пересечения пластов вертикальными стволами, наоборот, число пригодных к примене­ ниюспособов растет с выполаживаиием пластов.

При пересечении квершлагом свиты сближенных мощных пла­ стов (например, условия Прокопьевско.-Киселевского района Куз­ басса) наиболее целесообразно применять ограждающую дегаза­ цию, что позволит избежать вынужденных простоев при поочеред­ ном вскрытии каждого из пластов.

Использование нагнетания воды с целью предупреждения вне­ запных выбросов при вскрытии пластов имеет некоторые особен­

ку. Увлажнение не может быть применено также в случаях повы­ шенной трещиноватости вмещающих пород со стороны вскрываю­ щей выработки.

Рассмотрим наиболее характерный пример неэффективного ув­ лажнения пласта Мазурка в Донбассе, после которого возник круп­ ный выброс угля и газа.

При подготовке горизонта 710 м забоями главного и вспомо­ гательного квершлагов, расположенными один от другого на рас­ стоянии 20 м, были вскрыты без выбросов шесть опасных и угро­ жаемых пластов, давление газа в которых составляло 20—-

47кгс/см2 .

Пласт Мазурка в месте вскрытия имел мощность 1,03 м и со­

стоял из двух дачек. Верхняя пачка мощностью 0,63 м представ­ лена блестящим углем средней крепости, а нижняя пачка мощ­ ностью 0,4 м—-мягким матовым углем. Угол падения пласта 67°.

Непосредственно в кровле пласта залегает глинистый сланец средней крепости, трещиноватый, средней устойчивости. Почва пласта — песчанистый сланец темно-серого цвета средней крепости.

37 кгс/см2 . Учитывая, что градиент изменения давления газа для Центрального района Донбасса при углубке на один горизонт ра­ вен 8—10 кгс/см2 , давление газа в пласте Мазурка на горизонте 710 м было принято равным 50 кгс/см2 .

Для нагнетания воды в пласт -Мазурка с расстояния 5 м было пробурено по периметру выработки пять скважин диаметром 56 мм и одна компенсационная скважина диаметром 135 мм в центре за­ боя главного квершлага. Во время бурения скважин газодинами­ ческих явлений не наблюдалось. Суммарное газовыделение из всех скважин составляло 6—8 л/мин.

За четыре дня в пласт было закачано 45,1 м3 воды, после чего давление газа в контрольных скважинах составляло 32 и 43 кгс/см2 . Спустя несколько дней вновь включили насос, и было подано еще 26,9 м3 воды. Давление газа оказалось равным 28—29 кгс/см2 .

Далее нагнетание трижды вновь возобновляли и прекращали для замеров давления газа. Полностью нагнетание было закончено после того, как вода начала выходить из открытых скважин в за­ бое соседнего вспомогательного квершлага, находящегося в 20 м от главного квершлага. Всего за два месяца было закачано ПО м 3 воды.

-•При:.отключении скважин от магистрали из них выдавливался

лось, но: через некоторое время после остановки насоса вновь уве­ личивалось. К концу нагнетания суммарное газовыделение из всех скважин несколько стабилизировалось и составляло .1,5—2 л/мин.

Учитывая, что после увлажнения пласта давление газа было снижено только до 38 кгс/см2 , вскрытие производили под защитой двухрядного металлического каркаса из стержней диаметром 35 мм.

В забое квершлага на площади в 5 м2 было пробурено и заря­ жено 28 шпуров с общим зарядом 44 кг. Через 40 мин после взры­

зались заполненными выброшенным углем на расстояние от забоя соответственно 550 it 330 м.

При осмотре забоя главного квершлага было установлено, что породная пробка между забоем и пластом не нарушена, за исклю­ чением места, где производилось взрывание. Размеры вскрытой части пласта соответствовали расположению шпуров для сотряса­ тельного взрывания и были равны 2,2X2,3 м. Выброс развился че­ рез отверстие сечением 5 м2 .

Металлический каркас находился в правильном положении и был в основном цел. Проба угля, взятая за прутьями каркаса, по­ казала влажность 7,9%. Всего было выброшено 14 000 т угля и вы­ делилось 250000 м 3 газа.

Таким образом, при разведке необходимо получать сведения о физико-механических свойствах не только угольного пласта, но

ипород, через которые будет пробурена увлажнительная скважина.

Внекоторых случаях, особенно при длительном периоде нагнета­ ния, фильтрация воды через трещиноватые породы может приво­ дить к тому, что скорость изменения реологических свойств увлаж­

ненной породы будет превышать скорость изменения свойств угля и в конечном счете в забое выработки создастся опасная ситуация, связанная с возможностью самовскрытия пласта.

Специальными опытами установлено, что деформации ползуче­ сти песчаника в значительной степени зависят от его влажности W (рис. 65). С увеличением влажности песчаника возрастают не только суммарные деформации, но и скорость их нарастания. Сле­ довательно, увлажнение угольного массива с проникновением воды во вмещающие породы может существенно изменять свойства по­ следних. В проведенных экспериментах изменение ползучести за счет влияния влаги проявлялось за 12—20 суток безнапорного увлажнения породных образцов.

Существенная зависимость механических свойств пород от сте­ пени их влажности была установлена Н. Ф. Ренжигловым [46], по-, казавшим, что с увеличением влажности уменьшаются прочность

пород на сжатие и разрыв, их модуль упругости и увеличивается коэффициент Пуассона. . •.

Степень водонасыщения угля и пород зависит от величины их предварительного напряженного состояния и от давления газа в пересекаемом выработкой массиве пород.

С повышением напряженного состояния угля его водопрони­ цаемость уменьшается. Так, с увеличением механической нагрузки

а

на уголь с 70 до 110 кгс/см2 коэффициент водопроницаемости сни­ жается более чем в 2 раза.

Таким образом, в процессе проникновения воды в массив гор­ ных пород происходят сложные физико-механические процессы, проявление которых определяется не только свойствами угля (по­ роды), но и такими факторами, как напряженное состояние этого массива и его температурный режим.

§ 25. ОБОСНОВАНИЕ РАЗМЕРОВ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ ВСКРЫВАЮЩЕЙ ВЫРАБОТКИ

В окрестности горной выработки порода находится в предельно напряженном состоянии, характеризующемся пониженными напря­ жениями вблизи обнаженной поверхности и концентрацией их на некотором удалении от нее. Величина напряжений впереди забоя и протяженность зоны, в пределах которой прослеживаются из­ менения напряжений, неодинаковы для квершлагов и вертикальных стволов.

Для уточнения различия в распределении напряжений впереди забоя квершлага и ствола были проведены исследования по мето­ дике ВНИМИ на моделях из упругого материала с низким моду­ лем упругости.