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

свиты отрабатываются со значительным опережением по отноше­ нию к квершлагам, вскрывающим опасные по выбросам пласты нижней части свиты.

Региональное увлажнение, производимое с верхнего горизон­ та через длинные скважины в место вскрытия, в принципе может •быть осуществлено, однако оно должно увязываться со сроками проведения квершлага.

При ведении горных работ на пластах, подверженных внезап­ ным выбросам угля и газа, зачастую требуется не только выбрать и применить способы борьбы с выбросами, но и устранить пли сни­ зить газовыделенне. В подобных условиях наиболее приемлема

но важно при высокой нагрузке на забой, когда применяемые в механизированной лаве или в комбайновом подготовительном за­ бое способы проветривания не обеспечивают требуемого уровня безопасности.

На восточных месторождениях страны (Кемеровское, Прокопь- •евское, Воркутское) ряд пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа, одновременно является и опасным по горным ударам. Сочетать в одном забое комплекс локальных мероприятий по пред­ отвращению внезапных выбросов, горных ударов и снижению га­ зовыделения практически невозможно. Здесь также может быть использован эффект защитной отработки пластов. Выбор способов

ГЛ А В А.II

СПОСОБЫ ВЫЕМКИ ВЫБРОСООПАСНЫХ ПЛАСТОВ

§5. ФАКТОРЫ, О П Р Е Д Е Л Я Ю Щ И Е ВЫБОР СПОСОБОВ

ВЫЕМКИ УГЛЯ

В соответствии с существующими представлениями о природе "внезапных выбросов среди специалистов существует мнение, что скорость подвигания забоев должна быть небольшой, не выше •определенных пределов. Так, на шахтах Польской Народной Рес­ публики суточное п'одвигание подготовительных забоев ограничи­ вается величиной 1,5 м, а очистных •—0,5 м. Эти темпы обеспечи­ ваются односменным режимом работ по выемке угля и прове­ дению выработок. На шахтах бассейна Севенны во Франции скорость проведения выработок, допускаемая правилами ведения

ные выбросы проявляться не могут. Важнейшей предпосылкой для внезапного изменения напряженного состояния является либо не­ ритмичное подвиганне забоя, либо неравномерность прочностных свойств угольного массива, либо совместное воздействие обоих факторов. Отсюда следует, что на выбросоопасных пластах пред­ почтительно применять механизированное проведение выработок небольшими заходкамн со сравнительно равномерным подвиганием забоя.

Расстояние впереди забоя, м

Рис. 1. Изменение эпюры напряженного состояния впереди выработки

Исходя из представлений о формировании области предельно напряженного состояния пласта впереди забоя во времени можно представить изменение во времени и эпюры нормальных к пласту напряжений.

Допустим, в угольном массиве, находившемся вначале вне зоны влияния горных работ, появилась выработка. Начальное рас­ пределение нормальных к пласту напряжений определяется кри­ вой 1 (рис. 1). Далее вследствие, наличия обнажения и возможно­ сти угля необратимо деформироваться (отжиматься) в сторону выработки напряженное состояние изменяется ввиду появления области предельного состояния (кривые 2—4). Через некоторое время эпюра напряжений стабилизируется и принимает форму кривой 5. Вполне очевидно, что выработка может проводиться в принципе при любом положении эпюры напряжений, лишь бы не было резкого изменения картины напряженного состояния.

Таким образом, основным требованием к режиму подвигаыия выработки является необходимость обеспечения в каждый отдель­ ный момент времени стабильного положения эпюры напряжений.

Отклонения от этого положения возможны лишь при переходном режиме, например при изменении скорости проведения выработки или прочностных свойств угля, о чем будет сказано далее.

Можно предположить, что при благоприятных технологических факторах, к которым относятся способ выемки угля и режим подвигания забоя, возможно повысить темпы проведения подгото­ вительных выработок без увеличения опасности возникновения вы­ бросов.

При изучении факторов, определяющих выбор способа выем­ ки угля в подготовительных выработках, проводимых на выбро­ соопасных пластах, основное внимание было уделено особенностям изменения давления газа, деформаций массива и напряженного состояния пласта. Наблюдения велись при различных способах выемки. Главным образом велось сравнение буровзрывной и ме­ ханизированной технологии отбойки угля; в отдельных случаях использованы исследования, проводившиеся при выемке угля от­ бойными молотками.

§ 6. ИЗМЕНЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА В ПЛАСТЕ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБАХ ВЫЕМКИ УГЛЯ

Для изучения изменения давления газа при взрывных работах проводились опыты, которые состояли в замере газового давления в угольном массиве при взрывании в нем камуфлетных (без подвигания забоя) зарядов, а также при взрывной отбойке угля.

Замеры при взрывании камуфлетных зарядов проводились в штреке пласта Тройного шахты № 5 Воркутского месторождения. Газовые камеры шпуров располагались в 6 м и в 4,5 м впереди забоя. Наблюдения за изменением давления газа впереди движу­ щегося забоя штрека при взрывной отбойке угля были проведены на том же пласте, а при механизированной отбойке — на пласте Мощном шахты № 1 8 .

При взрывном воздействии на угольный массив без подвигания забоя, достигавшемся взрыванием камуфлетных зарядов, давление газа изменялось неравномерно (рис. 2,а). На глубине 6 м впереди

.забоя (примерно в районе зарядов) оно значительно возрастало (приращение по отношению к первоначальному составляло до 100%). В области же, опережающей забой на 4,5 м и расположен­ ной между забоем и камуфлетными зарядами, давление газа сни­ жалось.

При взрывной отбойке угля (рис. 2,6) также отмечалась зна­ чительная неравномерность в распределении давления газа впере­ ди забоя: с расстояния 10—12 м от забоя оно начинало возрастать', •при этом приращение по отношению к первоначальному достигало примерно 40% в интервале расстояний 5—9 м от забоя. На рас- •стоянии 4 м от забоя начинался спад давления газа до величин,

.меньших первоначальных.

Таким образом, обе серии опытов указывают на значительную неравномерность в изменении газового давления впереди забоев выработок, проводимых с применением вз.рывных работ.

При механизированной отбойке угля, осуществляемой комбай­ нами избирательного действия, неравномерность изменения газо­

ві

ная отбойка; 2, 3—механизированная отбойка

вого давления меньше. Так, наибольшее приращение давления газа впереди 2-го конвейерного штрека по пласту Мощному не пре­ вышало 27%, а впереди северного конвейерного штрека было не более 13% по отношению к первоначальному.

§ 7. ИЗМЕНЕНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ УГОЛЬНОГО МАССИВА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБАХ ВЫЕМКИ УГЛЯ

Наличие обнажений угольного массива обусловливает его де­ формации в призабойной зоне, следствием чего является перерас­ пределение напряжений, характеризующееся уменьшением напря­ жений вблизи обнажения и повышением их на некотором удалении от него. Поэтому деформации угольного массива могут служить показателем процесса изменения его напряженного состояния.

Изучение деформаций проводилось по двум принципиально раз­ личным схемам: измерялись деформации впереди проводимых вы­ работок (реперы устанавливались в передовых выработках) и позади движущегося забоя.

Наблюдения за деформациями впереди подготовительных вы­ работок проводились на пласте Тройном шахты № 40 Воркутского местооождения (при механизированном проведении выработок комбайном ПК-3), на пласте № 30 шахты «Байдаевские уклоны» в Кузбассе (при проведении выработок комбайном ПКГ-3) и на пласте Кемеровском шахты «Северная» в Кузбассе (при работе отбойными молотками).

При работе отбойных молотков и проведении выработки ком­ байном ПК-3 существенные изменения в характере деформирова­ ния угольного массива начинались с расстояния около 9 м от забоя и, существенно различаясь по величине, все же были одного порядка (рис. 3). При проведении выработок комбайном ПКГ-3 деформации угольного массива впереди движущегося забоя были

всего 2,04 единицы. При этом значительные изменения деформаций начались ближе к забою, чем в предыдущих случаях. Это может быть объяснено тем, что порядок работ в забое в принципе оди­ наков для комбайнов типа ПК и отбойных молотков и иной для комбайнов типа ПКГ. В первом случае производится последова­ тельная выемка угля по сечению выработки, а во втором'—одно­ временная выемка по всему сечению.

Замеры деформаций позади забоя в условиях мощных и сред­ ней мощности пластов подтвердили, что наиболее интенсивные деформации связаны с взрывными, работами (рис. 4). Меньшими величинами характеризуются деформации угольного массива в вы­ работках с механизированной отбойкой угля, причем наименьшие деформации отмечались при работе комбайнов с одновременной выемкой угля по всему сечению выработки.

Таким образом, замеры деформаций как впереди, так и позади забоев показывают, что способы выемки угля весьма неравноцен­ ны с. точки зрения процесса деформирования массива.

§ S. ИЗМЕНЕНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПЛАСТА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБАХ ВЫЕМКИ УГЛЯ

Для изучения напряженного состояния пласта применялись гидравлические датчики двух типов: аналогичные конструкции ИГД им. А. А. Скочинского и комбинированные датчики ВостНИИ для одновременного замера напряжений и давления газа.

Комбинированный гидродатчик (рис. 5) представляет собой эластичную оболочку диаметром 40 мм и длиной 270 мм, арми-

Рис. 5. Комбинированный гидродатчик для одновременного замера напря­

стержня 3 длиной 340 мм. Стержень 3 с обоих концов имеет от­ верстия 4 и 5 диаметром 4 мм и длиной соответственно 80 и 30 мм. Между этими отверстиями в стержне фрезеруется канавка 6 ши­ риной 3,5 мм и глубиной 6 мм. Через отверстия в стержне и ка­ навку пропускается трубка 7 диаметром 3 мм, служащая для замера газового давления в массиве угля. Зазор между стенками отверстия 4 и медной трубкой 7 пропаивается латунной пайкой. Медная трубка 7 пропускается внутри другой медной трубки 8 большого диаметра, служащей для подачи масла в эластичную оболочку.

Материалом для эластичной оболочки служит винипласт или специальная резина, выдерживающая давление масла до 150— 200 кгс/см2 . Трубки 7 и 8 подсоединяются к специальному переход­ нику 9, на котором при помощи резьбы крепятся манометр для замера газового давления в массиве угля и манометр для замера давления масла в герметизаторе. Кроме того, на переходнике имеется штуцер для подсоединения ручного насоса для закачки масла в датчик и запорный вентиль.

В массиве угля пробуривается скважина диаметром 44—48 мм на глубину не менее 10—15 м. Скважина тщательно очищается от угольного штыба и в нее вводится датчик. В гидродатчик закачи­ вается масло под давлением до 150 кгс/см2 . Масло по трубке 8 через кольцевой зазор между трубкой 7 и стенками отверстия 5 попадает в эластичную оболочку.

Под давлением масла эластичная оболочка расширяется и за­ полняет зазор между стенками скважины и датчиком, благодаря чему создается надежная герметизация газовой камеры.

Следует отметить, что в ряде случаев при замерах напряжений впереди забоя выработки пригрузка не отмечалась. Этот на пер­ вый взгляд странный факт может быть объяснен следующим об­ разом.

Известно, что напряженное состояние пласта характеризуется тремя компонентами. Для горизонтальных пластов это вертикаль­ ные, горизонтальные и осевые (по отношению к оси выработки) напряжения. В общем же случае эти компоненты напряженного состояния удобнее связывать с ориентацией пласта и оперировать нормальными к пласту напряжениями сгі и напряжениями оч, аз, ориентированными согласно наслоению (согласно обозначению, принятому В. В. Ходотом, аг— боковые и оз — осевые напряже­ ния) .

Ввиду конструктивных особенностей гидравлических датчиков (круглый резиновый элемент, контактирующий с массивом, напря­ жения которого измеряются, и продольная жесткость за счет осе­ вого стержня) они не могут измерять избирательно одну из наз­ ванных компонент напряжений. Датчиком воспринимается несколько компонент, причем сколько и какие именно — зависит от его ориентации.

Если датчик ориентирован вкрест наслоения пласта, то впе­ реди горизонтальной выработки или очистного забоя, движущегося по простиранию пласта, регистрирующим устройством датчика фиксируется совместное воздействие напряжений аг и аз. Впереди тех же выработок датчик, ориентированный по линии падения, вос­ принимает компоненты (Ті и аз. Когда ось гидродатчика парал­ лельна оси выработки,' регистрируется совместное влияние компо­ нент аі и а2 . Наконец, возможны такие варианты расположения датчика, при которых он воспринимает все три компоненты ои стг и дзЭто достигается при расположении датчика под углом к ос­ новным направлениям (падению и простиранию).

При взрывании заходки длиной 1,5 м давление на гндродатчике, установленном на глубине 2 м, в первый момент резко уве­ личилось— с 38 до 64 кгс/см2 , а затем упало до 10 кгс/см2 и далее постепенно возрастало до стабильного (рис. 6). На втором гидро-

датчике в момент взрывания был отмечен спад давления, а затем; оно увеличилось на 3 кгс/см2 .

Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что пере­ распределение напряженного состояния угольного массива начи­

показал повышение давления на 5 кгс/см2 . Таким образом, эти дан­ ные во многом повторяют те, что были получены при взрывании патронов аммонита.

месторождения.

В работе применялись давильная установка (ДУ), позволяю­ щая получать различную нагрузку, и гидродатчики, при помощи которых контролировалось перераспределение напряжений. Гидро­ датчики были заложены впереди давильной установки на глубине 0,7; 0,95 и 1,3 м, а давильная установка — на глубине 0,5 м. Былопроизведено четыре цикла нагружения давильной установкой и по­ следующих сбросов давления. В трех случаях при внезапном сбро­ се нагрузки прослеживались участки кривых, на которых давление в гидродатчиках после сброса нагрузки на ДУ резко возрастало.. Подобные участки сохранились в течение периода сбрасывания нагрузки на ДУ, т. е. не более 1 мин.

Следовательно, при искусственном воздействии на пласт ско­ рость изменения его напряженного состояния находится в прямой? зависимости от скорости внезапных воздействий. Это значит, чтоскоростью изменения' напряженного состояния пласта можно уп­ равлять в тех пределах, которые удовлетворяют данным усло­ виям.

Повышение напряжений при сбросах нагрузки на ДУ наблю­

резкое перераспределение напряжений. Можно считать, что увели­ чение напряжений прослеживается впереди забоя щели ДУ на: расстоянии 21, где I/ — глубина заложения давильной установки.

Таким образом,' проведенные исследования позволили устано­ вить, что изменения напряженного состояния пласта зависят не­ посредственно от скорости выемки угля в каждой заходке. Сле­ довательно, при проведении выработки скорость изменения напря­ женного состояния пласта будет зависеть также и от периодично­ сти выемки каждой отдельной заходки.

| С точки зрения плавности протекания основных процессов в массиве способы отбойки угля можно расположить в следующей последовательности: механизированный с непрерывной обработкой зіабоя по всему сечению; механизированный с последовательной обработкой забоя; выемка отбойными молотками; взрывная отбой- к"а угля. В этой же последовательности снижается предпочтитель­ ность этих способов выемки в условиях выбросоопасных пластов.

Способы отбойки угля принципиально различаются временем непосредственного воздействия на угольный массив. При взрывном способе проходка длится короткое время и затем длительное вре­ мя забой стоит. При механизированной отбойке может быть до­ стигнуто непрерывное разрушение угольного массива.

Эксперименты показывают, что изменения давления газа, де­ формаций и напряжений зависят от продолжительности процесса внедрения выработки в угольный массив. При одинаковых средне­ месячных или среднесуточных скоростях проведения выработок периодические способы отбойки угля будут характеризоватьсяразличными величинами рабочих скоростей. Поэтому следует пред­ положить', что установленные различия в протекании основных процессов в угольном массиве при различных способах отбойки определяются различиями в скоростях непосредственного внедре­ ния выработок в угольный пласт. Следовательно, необходимо бо­ лее детальное исследование влияния скорости подвйгания забоя на основные процессы, протекающие в призабойной зоне угольногопласта, и выявление условий, при которых возможно повышение темпов проведения выработок на выбросоопасных пластах.