Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Основы механики горных пород

..pdf
Скачиваний:
19
Добавлен:
19.11.2023
Размер:
36.84 Mб
Скачать

ййе года, либо приходящееся на 1 млн. т добытого полезного ископаемого, либо на 100 000 м3 отработанной площади назы­ вают частотой внезапных, выбросов.

§ 100. ПРОЯВЛЕНИЕ ВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

 

 

 

 

П ерв ы е

 

св еден и я

о

в н езап н ы х

в ы б р о са х

 

о т н о ся т ся

к

3 0 -м

го д а м

X V III

в.: вн езапны й

в ы бр ос

угл я

и

га за п р о и зо ш ел

в

ш а х т е « И са а к »

б а ссей н а

Л у а р ы

во

Ф ранции . С

сер еди н ы

X V III

в. начались

в н езап н ы е вы бросы

на

к а ­

м ен н оугол ьн ы х

ш а х т а х

Б ельгии,

за т ем

они

 

стали

п р оя вл яться

в

Р у р ск о м

и

Н н ж н есн л езск о м

б а ссей н а х

 

в

 

Г ерм ании,

б а ссей н е

Ю ж н о го

У эл ь са

 

в

А н гл и и ,

в

В енгрии,

К а н а д е .

С ильны й

 

вы бр ос,

которы й

привел

к

к а т а стр о ф и ч еск и м

п о сл едств и я м , п р ои зош ел

в

1879

г. в

ш а х те

«А грапп »

в

 

Б ельгии:

 

бы л о

в ы ­

б р ош ен о

4 2 0

т

угля

и

2 0 0 0

м3

м етан а .

П ри

этом

п оги б

121 ч ел ов ек

[132].

Э т о т

сл уч ай

привлек

к

п р о б л ем е

в н езап н ы х

в ы бр осов

сер ь езн о е

 

в н и м ан и е.

 

Е щ е

б о л ее

сильны й

вы бр ос

п р о и зо ш ел

 

в

1904

г.

на

ш а х т е

« М о р и ссей »

в Б р и тан ск ой

К ол ум би и :

 

к ол ичество

вы бр ош ен н ого

угл я

со ст а в и л о

3 5 0 0

т,

к ол ичество м етан а

7 0 0 000

 

м3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

П о м ер е п ер ех о д а к р а зр а б о т к е б о л ее гл у б о к и х го р и зо н т о в ч а ст о та и

сила

вн езап н ы х

в ы бр осов

п ов сем естн о

в о зр а ста л и .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

П ервы й вн езапны й

вы бр ос

в

Р о сси и

п р ои зош ел

в

Д о н ец к о м

 

б а ссей н е

в

1906

г.

на

ш а х т е

« Н о в а я

С м ол я н к а»

в п л а сте

«С м ол я н и н ов ск и й »

на

г л у ­

би н е

711

м [132].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В

н а ст о я щ ее

 

врем я

в С С С Р

вн езап н ы е

вы бросы

п р о и сх о д я т

во

м н оги х

го р н о д о б ы в а ю щ и х

б а ссей н а х

и р ай он ах:

в

 

у гл е

и

во

в м ещ аю щ и х

п о р о д а х

в

Д о н б а с с е ,

К у зб а с с е ,

К ар а га н д и н ск о м

и

П еч ор ск ом б а с сей н а х ,

н а

угольн ы х

м е ст о р о ж д ен и я х

У р ал а,

в

к ар н ал л и тов ы х

и

си л ьвнни товы х

п л а ст а х

кал и ев ы х

и

м агниевы х

со л ей

С та р о б и н ск о го

и В ер х н ек а м ск о го м ест о р о ж д ен и й . П р о я в ­

л яю тся

вн езап н ы е

вы бросы

 

в

р а зн о о б р а зн ы х

у сл о в и я х

и

ф о р м а х . В

к ач еств е

осн ов н ы х р а зн о в и д н о ст ей

 

эт и х

г а зо д и н а м и ч еск и х

явл ен и й

м о ж н о

 

вы делить:

 

— со б ст в ен н о

вн езап н ы е

 

вы бросы

п о л езн о го

и ск о п а ем о го

 

(у гл я ,

со л и )

и

г а за

или в м ещ аю щ и х

горн ы х

п о р о д

и

г а за

при

п р о в ед ен и и

в ы р а б о т о к

по

п о л езн о м у и ск о п а ем о м у

или

по

п о р о д е

л и б о

при

в ед ен и и

очи стн ы х

р а б о т ;

 

в н езап н ы е

 

вы бросы

при

вскры тии

угол ьн ы х

п л а сто в ,

сол я н ы х

за л е ж е й

или

в ы бр осооп асн ы х

п о р о д н ы х

сл оев;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вы бросы

 

п о л езн о г о

и ск о п а ем о го

или

п о р о д ы

и

г а за

при

 

в зр ы вн ой

отбой к е;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вн езап н ы е

 

вы сы пания

с

повы ш енны м

 

г а зо в ы д ел ен и ем ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вн езап н ы е

 

отж и м ы ,

с о п р о в о ж д а ю щ и еся

га зо в ы д ел ен и ем ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

проры в

г а за

в

горны е

в ы р аботк и

(обы ч н о

и з

п одош в ы

 

в ы р аботк и ,

п р о й д ен н о й по

п о л езн о м у

и с к о п а ем о м у ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

О со б ен н о сти

 

протек ан и я

эти х я вл ен и й

 

м о ж н о

уя сн и ть

на

к он к р етн ы х

п р и м ер ах .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Н а

рис.

145, а

п р ед ст а в л ен

прим ер

в ы б р о са ,

которы й

 

п р о и зо ш ел

в з а б о е

отк аточ н ого

ш трек а

по

к р у т о п а д а ю щ ем у

п л а ст у

« К у ц ы й »

на

ш а х т е

8

в

Д о н б а с с е .

В р езу л ь т а т е

 

вы бр оса в м а сси в е

п о р о д

о б р а зо в а л а с ь

 

г р у ш е в и д ­

н ая

п ол ость .

П о л о сти

 

п о д о б н ы х

к он ф и гур ац и й ,

н а п р а в л ен н ы е

ч а щ е

в сег о

в в ер х по

п л а ст у ,

 

хар ак тер н ы

д л я

в н езап н ы х

в ы б р о со в

у гл я

и

г а за

 

при

к р у ­

том

п ад ен и и

п л а сто в . В

р я д е

сл уч аев в с л е д

 

за

первы м

в ы б р о со м

п р о и с х о д я т

о д и н

или

нескол ько

п о сл ед у ю щ и х ,

и н о гд а

и з

р а н ее

о б р а зо в а н н о й

п о л о ст и . Н а

том

ж е п л а ст е

«К уц ы й »

на

ш а х т е

N° 8

ч ер ез

14

с у т

п о сл е

о д н о г о

в ы б р о са

и з

о б р а зо в а в ш ей ся

п ол ости

п р о и зо ш ел в т о р о й

вн езап н ы й в ы б р о с .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

П о

м ер е увел и ч ен и я

глуби н ы

горн ы х р а б о т

у ч а щ а ю т ся

п р о я в л ен и я

в н е ­

зап н ы х ^вы бросов

 

в м ещ аю щ и х

 

п о р о д (п есч а н и к о в ).

Т ак ,

в

1962

г. п р о и зо ш ел

крупны й

вы бр ос

 

при

п р о х о д к е

к в ер ш л ага

 

на

ш а х т е

« Щ ег л о в к а -Г л у б о к а я »

в

Д о н б а с с е . П о сл е о ч ер ед н о г о

 

взр ы в ан и я

за б о й н ы х

ш п у р о в

р а зд а л с я

си л ьны й

гул,

за

к оторы м п о сл ед о в а л

в о здуш н ы й

тол ч ок

и

вы бр ос.

 

В

р езу л ь т а т е

вы ­

б р о са в

м асси в е о б р а зо в а л а с ь

п ол ость

(рис.

1 4 5 ,6 ) ,

а

к в ер ш л аг

на

п р о т я ж е ­

нии

10

 

м

 

о т за б о я

о к а за л ся

п ол н остью

засы п ан н ы м

 

п о р о д о й

при

п о л н о м

р азр уш ен и и

п остоя н н ой

м етал л и ч еск ой

крепи и з

д в у т а в р о в ы х

б а л о к .

Н а

п р о ­

т я ж ен и и

п о сл ед у ю щ и х

2 7

м за п о л н ен и е

к в ер ш л ага

р а зд р о б л е н н о й

п о р о д о й

бы л о

частичны м .

С ила

 

в ы бр оса

 

х а р а к т ер и зо в а л а сь

в есо м

 

р а зр у ш ен н о го

 

и

и зм ел ьч ен н ого

песчан ика

 

в

р а зм ер е 2 1 0 0

тс.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

О бы чно

в ы б р о со о п а сн о й

я в л я ется

не

вся

тол щ а

п есч ан и к а,

а

е е

о т д е л ь ­

ны е

сл ои .

В ы бр ош ен н ая

 

п о р о д а

 

п р ед ст а в л я ет

со б о й

в о сн о в н о й

м а ссе

м ел ­

кие пластины

 

р а зм ер о м

3 — 5

см

и тол щ и н ой д о

3

мм

л и б о

гр а н у л и р о в а н н ы е

частицы

п ор оды

и

 

п есо к

 

в п ер ем еш к у

с таким и

п л асти н ам и .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

К ак

и

в р а ссм о т р ен н о м

 

п р и м ер е

в ы бр оса

п есчан и к а, во

м н оги х

сл у ч а я х

вн езап н ы е

 

вы бросы

п р о и сх о д я т

 

п о сл е д и н ам и ч еск ого

 

в о зд ей ст в и я ,

о с у щ е ­

ст в л я ем о го

при

взры вны х

р а б о т а х , о д н а к о

за м еч ен о ,

что сил а

в ы б р о са

н е п о ­

ср ед ст в ен н о

н е

св я за н а

с

м а ссо й

за р я д а

В В .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Х ар ак тер н ы м

п р и м ер ом

к р уп н ого

вы бр оса

при

вскры тии

п л а ст а ,

в ы зв а н ­

н ого

взры вн ой

отбой к ой ,

м о ж ет

сл у ж и т ь

в ы бр ос

в з а б о е

к в ер ш л ага,

п е р е с е ­

кав ш его

сл ой

 

огн еу п о р н о й

глины ,

 

па

угол ь н ой ш а х т е

« П и а ст»

н а р о д н о г о

п р е д ­

приятия

«Н ов а

Р у д а »

(П о л ь ш а ).

О п ер еж а ю щ и м

б у р ен и ем

 

из

за б о я

на

р а с ­

стоян и и

1,7

м

вскры ли

 

кр ов л ю

 

уго л ь н о го

п л аста,

в к о т о р о м

и зм ер ен и я м и

у ст а н о в л ен о

наличие

и збы точ н ого

да в л ен и я

Д р = 2 ,0

к гс/см 2.

В ц ел я х

у с т р а ­

нения

п отен ц и ал ьн ой

 

оп асн ости ,

 

св я за н н о й

с

избы точны м

д а в л ен и ем ,

бы л о

р еш ен о

в о зб у д и т ь

 

вы брос.

 

С эт о й целью

бы л о п р о б у р ен о

 

12

ш п ур ов

и

в з о ­

р ван о

в

них

 

11,6

кг

В В .

О д н а к о

эт о т взры в

вы звал

р азв и ти е

к р уп н ого

вы ­

бр о са .

В

 

к в ерш лаг

бы л о

вы бр ош ен о

5 0 0 0

т угля

и

п ор оды . О б ъ ем

у г л ек и с ­

л о го

г а за ,

в ы д ел и в ш егося

при

в ы бр осе,

соста в и л

о к о л о

7 5 0 0 0 0

м 3.

В

р е зу л ь ­

т а т е

вы бр оса

 

бы ли

п ол н остью

засы пан ы

горн ы е вы р аботк и

 

на

у ч а ст к е

п р о т я ­

ж ен н о ст ь ю

7 0 0

м.

В ы б р о ш ен н а я

 

м асса

за п о л н и л а

т а к ж е

на

в ы со ту

6 м

 

о т

п одош в ы

 

ст в о л

сл еп о й

 

ш ахты , р а сп о л о ж ен н о й

в бл и зи

м еста

в ы бр оса .

О к ол о

40 т

р а зд р о б л ен н о й

м ассы

 

бы л о

 

при

эт о м

за б р о ш ен о

по

ст в о л у

на

в ы ш ел е­

ж а щ и й

го р и зо н т ,

н а х о д я щ и й ся

вы ш е

го р и зо н т а

в ы бр оса

на

150

м .

В ы б р о с

привел

к

д л и т е л ь н о м у

п р о ст о ю

и

 

бол ьш и м

р а б о т а м

по

расч и стк е

в ы р а б о т о к

и

в ы гр узк е вы бр ош ен н ы х

м а сс

угл я

и п ор оды .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В есь м а

м ощ н ы е

вы бросы

 

х ар ак тер н ы

д л я

сол я н ы х

ш ахт .

Н а

 

рис.

145, в

п о к а за н а

 

сх ем а

уч астк а

 

ш трек а,

г д е

п р ои зош л и

в н езап н ы е

вы бросы

сол и

 

и

г а за

(ш а х т а

«Х а тт о р ф » ,

Ф Р Г ). Р а б о т ы по

п р о х о д к е

ш трек а

зд е с ь

вел и

с п р и ­

м енен и ем

ск в а ж и н

д и а м ет р о м

2 8 0 м м ,

о су щ ест в л я я

д и ст а н ц и о н н о е у п р а в л е ­

н и е б у р о в о й

 

м аш иной .

П р и б у р ен и и

п ер и оди ч еск и

п р о и сх о д и л и

 

н еб о л ь ш и е

вы бросы

 

г а за

и

сол и ,

в

р езу л ь т а т е

к отор ы х

и з

бу р и м ы х

 

ск в а ж и н

на

н е ­

ск ол ьк о

м етр ов

вы тал к и вал о

б у р о в ы е

ш танги . Н а

о д н о м

 

и з

у ч а ст к о в

п о сл е

взры вания

п р и зм ати ч еск ого

ск в а ж и н н о г о

 

в р у б а

п р о и зо ш ел

 

в н езап н ы й

вы ­

б р о с

си л ой

3 0 0

тс,

а

п о сл е

в зр ы ван и я

о сн о в н о го

к ом п л ек та

за б о й н ы х

ш п у р о в

п о сл ед о в а л

в т о р о й

в ы б р о с

си л ой

1000

тс.

П о з д н е е

на

том

ж е

 

у ч а ст к е

при

о ч ер ед н о м

взры вании

з а б о я

п р о и зо ш ел

в ы бр ос

ак ти вн ой

по

г а з у

сол и

си л о й

2 0 0 0

тс.

И сп о л ь зо в а н и е

 

в

 

р ассм а тр и в а ем ы х у сл о в и я х

б у р о в ы х

м аш ин

с

д и ­

стан ц и он н ы м

 

уп р а в л ен и ем

п о зв о л я л о

б е з

о со б ы х

т р у д н о ст ей

п р о х о д и т ь

в ы р а ­

ботк и

на

в ы б р о со о п а сн ы х

уч а ст к а х .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Н а

ш а х т е

М ен ц ен гр а б ен

 

в

кал ийн ом

 

б а сс е й н е

В ер р а

(Г Д Р )

в

19 5 3

г.

п р о и зо ш ел

н а и б о л ее

сильны й

из

 

и зв естн ы х

в ы б р о со в

г а за

и

сол и :

бы л о

в ы ­

б р о ш ен о

 

100 0 0 0

тс.

В с е г о

 

ж е

в

 

эт о м

б а сс е й н е

за

7 0

л ет,

 

с

18 9 5

п о

19 6 5

 

г.,

п р о и зо ш л о

б о л е е

10 0 0 0

 

в ы б р о со в , и з

них

10

си л ой

б о л е е

 

10 0 0

тс.

 

 

 

 

 

угля и газа в очистном забое (Донбасс, шахта № 8, пласт «Мазурка»);

е — внезапное

высыпание

с повышенным

газовыделением

в откаточном

штреке

(Донбасс,

шахта

К» 8,

пласт «Куцый»);

ж — внезапный

отжим

угля

в забое

разрезной

печи

(Донбасс,

шахта

J — полости,

 

 

 

 

 

 

№ 17-17 бис,

пласт

«Смоляииновскнй»).

выбросов

породы

 

или

образовавшиеся

в

массиве

в

результате

внезапных

 

полезного

 

ископаемого;

2 — раздавленный

уголь

или

порода;

3 — выброшенный

уголь

или

порода;

4 — трещины

в

кровле;

5 — буровая машина

с

дистанционным

управле­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

нием;

 

б —положение

забоя

до выброса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В н еза п н ы е

вы бросы

часто

п р о и сх о д я т

и

 

в

очистны х

за б о я х

 

угол ьн ы х

ш ахт . П ри

эт о м

в ы бр ос

м о ж ет

 

захв аты в ать

пл аст

как

на

всю

его

м ощ н ость,

так

и

лиш ь

отдел ь н ы е

 

пачки угля . П ол ости

вы бр осов

м о гу т

и м еть

как

 

у к а ­

за н н у ю

вы ш е

гр у ш ев и д н у ю ,

так

и

щ ел ев и дн ую

ф о р м у . Н а

 

рис.

145, г

в

к а ч е­

стве

п р и м ер а

п о к а за н а

щ ел ев и дн ая пол ость,

о б р а зо в а в ш а я ся

при

в н еза п н о м

в ы б р о се

у гл я

и

га за

в

очистном з а б о е

по

п л а ст у

«С м ол я н и н ов ск и й »

ш ахты

 

17 -17

би с

в

Д о н б а с с е .

В* р а ссм атр и в аем ом

сл у ч а е

 

бы ла

в ы бр ош ен а

н е ­

бол ьш ая

часть

угл я ,

осн ов н ая

ж е

м асса

бы ла

р а зд а в л ен а

и

о ст а л а сь

в

п о ­

л ости

в ы бр оса .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В р я д е

 

сл уч аев

в сл ед

за

первы м

вы бр осом

 

п р о и сх о д я т

о д и н

или

н е ­

ск ол ьк о

п о сл ед у ю щ и х ,

 

и н огда

 

из

р ан ее

о б р а зо в а н н о й

п ол ости .

 

Н а

ш а х т е

« Р о ш б ел ь »

 

в к ам ен н оугол ьн ом

 

б а ссей н е

Г ар

(Ф р ан ц и я )

на

у ч а ст к е

ш тр ек а

п р о т я ж ен н о сть ю

 

17

м

 

п р ои зош л о

п осл ед о в а тел ь н о

одн и

за

д р у г и м

восем ь

в н езап н ы х

в ы бр осов

угля

силой

от 10

д о

5 0

тс

при к а ж д о м

и з

них.

 

 

 

 

 

Н а

 

рис.

145,(3

показаны

пол ости,

о б р а зо в а в ш и еся

при

д в у х

 

в ы б р о са х

в

очистном

 

п отол к оуступ н ом

з а б о е

по п л а ст у

 

« М а зу р к а »

(ш а х т а

 

8,

Д о н ­

б а с с ),

п осл ед о в а в ш и х

оди н

за

др у ги м

с

и н тер в ал ом

3

су т

[155].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Д л я

пластов

к рутого

падени я

весьм а

хар ак тер н ы

явл ения

так

н а зы в а е ­

м ого

внезапного высыпания р а зд р о б л ен н о г о

угля,

со п р о в о ж д а ю щ и е с я

зн а ч и ­

тельны м

газов ы дел еи и ем ,

но

п р о х о д я щ и е

б о л е е сп ок ой н о,

б е з

д и н а м и зм а ,

к о ­

торы й

свой ствен внезапны м

вы бросам . В

кач естве

прим ера

на рис.

 

145, е п о ­

к азан а к ар м ан ов и дн ая

 

пол ость

 

вы сы пания

в

отк аточ н ом

ш треке

по

п л а ст у

«К уцы й»

на

 

ш ахте №

8

в

Д о н б а с с е .

К а р м а н о в и д н а я

ф ор м а

п о л о ст ей

с в о й ­

ственна

им енно

внезапны м

вы сы паниям .

О д н а к о

изв естн ы

сл учаи

 

п е р е х о д а

вн езапны х вы сы паний во

вн езап н ы е вы бросы

г а за

и угл я .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

П р о ц есс

это го

п ер ех о д а

при

р а зр а б о т к е

к руты х

г а зо н о сн ы х п л астов

п р о ф .

А . Э . П етр ося н оп и сы в ает

сл ед у ю щ и м

о б р а зо м

 

[99]. В сл у ч а е вы сы пания

угл я

в

п о дготов и тел ь н ую в ы р а б о тк у

н а д

ней,

м е ж д у

о б р а зо в а в ш ей ся

насы пью

угл я

и

н ав и саю щ ей

частью

 

п л аста,

 

м о ж е т

возн и к н уть

гер м ети ч н ая

п ол ость

или

зо н а

разр ы хл ен н ого

угля ,

 

отл и ч аю щ ая ся

о т н ет р о н у т о го

у го л ь н о го

 

м асси в а

зн ач и тельн о

бол ьш ей

п у стотн осты о . П о л о ст ь

б у д е т за п о л н я ться

д е с о р б и р у ю ­

щ им ся

и з

о к р у ж а ю щ его

м асси в а

м етан ом

д о

тех

 

пор,

п ока

д а в л ен и е

 

г а за

в

ней

и о к р у ж а ю щ ей

ср е д е

не у р а в н о в еси т ся ,

при

эт о м

к ол и ч еств о

г а за

в

п о ­

л ости

б у д е т

во

стольк о

р аз

бол ьш е,

чем

в н ет р о н у т о м

м асси в е,

во

 

ск ол ьк о

п у стотн ость

 

п ол ости

бол ьш е

п устоти ости м асси в а . В

т ех

сл у ч а я х ,

к о г д а

э н е р ­

гии

га за

д о ст а то ч н о ,

чтобы

отбр оси ть

насы пь

угля

по

в ы р а б о тк е

 

на

н е к о т о ­

р о е р асстоян и е,

м о ж е т

 

п р ои зой ти н о в о е

вы сы пание

угл я

и о б р а зо в а н и е

ещ е

бол ьш ей

герм етич ной

п ол ости

с

 

ещ е бол ьш и м

с о д е р ж а н и е м

г а за ,

что

в ы зо в ет

б о л е е значительны й

о т б р о с

 

угл я .

М н о го к р а т н о е

п о в то р ен и е

эт о го

п р о ц есса

в ед ет

к о б р а зо в а н и ю

бол ьш и х п л оск остей

о б н а ж ен и я

и

р езк о й

п о с а д к е о с н о в ­

ной

кровли,

 

со п р о в о ж д а ю щ ей ся

м ощ ны м

га зо в о зд у ш н ы м

 

у д а р о м ,

 

р а зр у ш е ­

нием

вы работк и

и

интенсивны м

вы дел ен и ем

га за . Т аким

п р о ц ессо м

А . Э . П е т ­

р ося н о б ъ я сн я ет,

в ч астн ости ,

вн езап н ы й

вы бр ос

на

ш а х т е

им .

Ю .

А .

Г а г а ­

рина

в

Д о н б а с с е ,

при

к о т о р о м

бы ло

в ы бр ош ен о

б о л е е

 

14 00 0

т

угл я .

 

 

 

 

 

О тн оси тел ьн о

сп ок ой н о

 

и

при

м еньш ей

степ ен и д р о б л ен и я

 

п о л езн о г о

и ск о п а ем о го

или

п о р о д

п р отек аю т

внезапные отжимы. Д л я

п о д о б н ы х

я в л е ­

ний

х а р а к т ер н о

в н еза п н о е

 

п ер ем ещ ен и е

сп л ош н ой

м ассы

угл я

на

2 — 3

м от

з а б о я

 

при

 

незн ач и тельн ом

 

изм ельчении

и

 

н ебол ь ш ом

 

га зо в ы д ел ен и и .

Н а

рис.

145, я/с

 

п о к а за н п рим ер

в н еза п н о го

о т ж и м а

по

п л асту

«С м ол я н и н ов ск и й »

на ш а х т е № 17 -1 7 би с в Д о н б а с с е .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

§101. УСЛОВИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСОВ

ИПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ ИХ МЕХАНИЗМЕ

Условия возникновения внезапных выбросов крайне мно­ гообразны. В качестве общих тенденций можно отметить, что опасность проявления внезапных выбросов, их частота и сила

возрастают с увеличением глубины горных работ и давления газа, угла падения пород и мощности разрабатываемых пластов и залежей. При приближении горных работ к тектоническим нарушениям опасность внезапных выбросов также возрастает.

Сила внезапных выбросов в очистных выработках обычно бывает большей, чем в подготовительных. Но наибольшую силу имеют выбросы, происходящие при вскрытии выбросоопасных пластов или залежей шахтными стволами и квершлагами.

Отмечено, что внезапные выбросы с участием углекислого газа, как правило, превосходят по силе выбросы с участием метана. В то же время между давлением газа в пласте или слое породы и его опасностью по внезапным выбросам нет не­ посредственной связи. Так, угольные пласты с давлением газа 25—30 кгс/см2 не давали внезапных выбросов, тогда как на пластах с давлением газа 2—3 кгс/см2 выбросы происходили.

В подавляющем большинстве случаев развитие внезапных выбросов связано с непосредственным механическим воздейст­ вием на полезное ископаемое или породу: производством взрыв­ ных работ, воздействием на забой добычного механизма или инструмента. При этом с увеличением степени воздействия опас­ ность выброса возрастает. Обычно выбросы происходят через несколько секунд после динамического воздействия на забой. Однако случаются и «запоздалые» выбросы, происходящие через более длительные промежутки времени после динамического воздействия, от нескольких минут до нескольких часов. В от­

дельных случаях

выбросы

происходят

и при отсутствии работ

в забое или даже при длительной его остановке.

Относительно

причин

и вероятного

механизма внезапных

выбросов высказывали различные точки зрения. Крайние из них состоят в том, что одни исследователи приписывают гла­ венствующую роль газовому фактору (давлению газов, заклю­ ченных в порах выбросоопасных пород), другие — горному давлению. В результате обобщения обширных наблюдений за внезапными выбросами в различных горно-геологических усло­ виях, а также проведения экспериментальных и теоретических исследований проф. В. В. Ходот выдвинул, обосновал и развил энергетическую теорию внезапных выбросов [151, 155], полу­ чившую широкое признание специалистов. Согласно этой тео­ рии внезапный выброс является следствием скачкообразного изменения напряженного состояния участка массива полезного ископаемого или вмещающей горной породы. Такое изменение может произойти в результате действия различных факторов: взрывной отбойки, сотрясательного взрывания, механического внедрения в массив рабочего органа, подхода выработки к тек­ тоническому нарушению, вскрытия забоем выработки пласта или слоя, резко отличного по своим деформационным и проч­ ностным характеристикам, динамической нагрузки в призабой­

ной части массива в связи с обрушением зависших горных пород и пр.

Выброс начинается с частичного разрушения и растрески­ вания участка массива. Поскольку полезное ископаемое или порода насыщены газом, находящимся под давлением, из тре­ щин, развивающихся при частичном разрушении, происходит быстрое выделение газа. Устремляясь в сторону пониженного давления и расширяясь, газ увеличивает разрушение участка массива и развитие трещин. В свою очередь этот процесс спо­ собствует десорбции газа из макро- и микропор.

По В. В. Ходоту, в процессе внезапного выброса угля и газа может быть выделено три фазы развития:

а) начальное разрушение угля в призабойной зоне при внедрении горной выработки в неоднородный по прочностным свойствам пласт, при внезапном вскрытии пласта или при входе в зону геологического нарушения; это начальное разрушение является следствием внезапного увеличения градиента напря­ жений;

б) увеличение площади приложения давления газа на раз­ рушающийся уголь (выход газа из микропор в трещины и пу­ стоты расслоения) и начальный отброс угля;

в) усиление десорбции газа в процессе дробления угля, рас­ ширение газа и вынос измельченного угля в выработку в по­ токе газа.

Условия возбуждения и развития внезапного выброса могут

быть выражены следующими неравенствами:

 

 

W + R > F + U\

(411)

 

vP> vA;

(412)

р > и

fé (f cos а ± sin а) -f-а],

(413)

где W — потенциальная

энергия, накопленная в участке

полез-

ного ископаемого или породы в пределах полости выброса; R — кинетическая энергия вмещающих пород; F — работа смещения

полезного ископаемого или породы

из полости выброса;

U

работа

разрушения выбрасываемой

массы; vp — скорость

раз­

рушения ископаемого или

породы; ид— скорость падения

дав­

ления

газа,

заключенного

в ископаемом

или породе; р — дав­

ление

газа;

т — масса ископаемого

или

породы, захваченная

выбросом; 5 — площадь поперечного сечения разрушенного при выбросе участка; g — ускорение силы тяжести; f — коэффициент трения выбрасываемого материала по поверхности его смеще­ ния; а — угол наклона поверхности к горизонтали; а — ускоре­ ние силы инерции, т. е. ускорение, которое необходимо сооб­ щить материалу для его отброса.

Поскольку, как указывает В. В. Ходот, последние два усло­ вия (412) и (413) для высоко газонасыщенных пластов выпол­

няются практически всегда, основным условием выброск явля­ ется неравенство (411).

Следует, однако, подчеркнуть, что условия (411)— (413) описывают общую физическую картину развязывания процесса выброса, но прямое их использование для предсказания внезап­ ных выбросов, т. е. в целях прогноза последних, невозможно, поскольку до момента самого выброса практически нельзя оце­ нить ряд величии, входящих в эти условия.

Более перспективной в этом отношении является энергети­ чески силовая теория выбросов, созданная проф. И. М. Пету­ ховым и докт. физ.-мат. наук А. М. Линьковым [104]. Согласно этой теории условия возникновения выброса определяются пре­ имущественно силами, вызывающими рост трещин и отделение частиц от массива, независимо от энергии источников этих сил, а характер и последствия выброса — общим энергетическим ба­ лансом системы. Условие отрыва частиц записывается в виде

mr [Pi(l) Pi)> [<Jp],

(414)

где mr= lA|>c[l + <Tj/i(i)Æc4)]]-1; фс— безразмерная функция, опре­ деляемая отношением расстояния Нс от поверхности тела к ха­ рактерному размеру трещины I (чем меньше отношение HJI, тем больше значение фс); tfyi(!) — внешнее сжатие горным дав­

лением;

[<Тр]

и [(То]— прочность

соответственно на отрыв и на

сжатие;

р\(1) — давление газа

перед забоем к началу движе­

ния фронта

выброса; Рг— давление газа

за фронтом.

Условие

(414), отражая в

основном

качественные зависи­

мости возникновения выброса от основных влияющих факторов, открывает определенные возможности получения количественных показателей. Так, сравнение результатов расчета по формуле (414) с экспериментальными данными, полученными в лабора­ торных опытах с образцами относительно прочных пород, по­ казало хорошую их сходимость. Но для перехода от лабора­ торных к натурным условиям необходимо учитывать, что для выбросов характерна высокая степень дробления, при которой размер частиц при отрыве и разрушении значительно меньше размера образцов, испытываемых в лаборатории. Этот «масш­ табный» эффект авторы предлагают [104] учитывать поправкой к прочности путем введения в соответствии с линейной механи­

кой разрушения поправочного множителя видаУ /0//ь, где /0 — характерный размер наибольших трещин в образце, — харак­ терный размер наибольших трещин на базе, равной средней толщине отрываемых частиц. С учетом поправки значение пгг вычисляется из выражения

“'-,/*(Vi+-SsT (415)

Расчеты показывают, что величина Мг может меняться в весьма широких пределах: от значений, превышающих еди­ ницу, до сотых долей. В среднем для песчаников тг близко к единице, а для сильно рассланцованных карналлитов и выбро­ соопасных углей его значение снижается до 0,05—0,1. При этом следует иметь в виду, что для выбросоопасных углей величину тТ можно интерпретировать как долю поверхности, к которой приложено давление газа, поскольку каждая трещина в угле окружена множеством пор, выравнивающих напряжения и сни­ жающих коэффициенты интенсивности давления газа у краев трещин.

В связи с большими трудностями изготовления образцов из выбросоопасных углей, имеющих низкую прочность и высокую трещиноватость, экспериментальная проверка формулы (415)

не всегда представляется возможной. Обычно это

делается

кос­

венными способами, в частности путем анализа

случаев

 

раз­

работки выбросоопасных

пластов в различных условиях.

 

Так,

в работе [159] показано,

что

выбросы

малопрочных

углей

([(Тр]~0,5 кгс/см2) происходили

при /7=10

кгс/см2. Отсюда

зна­

чение mr в соответствии с формулой (415) получается равным 0,05. Поскольку между прочностью на отрыв [огр] и крепостью /Кр имеет место корреляция (fKp~[0p] кгс/см2), формулу (414) при mr^ i 0,05 можно записать в виде

Pi— Рг > 20/Кр.

(416)

На основании анализа и статистической

обработки данных

о выбросах угля в работе [104] получена следующая формула для определения условий, опасных по выбросам:

Pi Ра ^ 19/кр.

(417)

Расчеты по формулам (416) и (417) при р\—рг^ЗО кгс/см2 дают близкие результаты, что подтверждает правильность ис­ ходных предпосылок, на которых базируется энергетически силовая теория. И хотя эта теория не всегда еще дает возмож­ ность получать надежные количественные характеристики выбросоопасности, она существенно углубляет наши знания о при­ роде и механизме выбросов, позволяет более обоснованно вы­ бирать меры борьбы с ними, способы их прогнозирования и уменьшения интенсивности.

Процесс внезапного выброса связан как с действием гор­ ного давления, т. е. с переходом потенциальной упругой энергии сжатия горных пород, находящихся в условиях предельного на­ пряженного состояния, в кинетическую энергию хрупкого раз­ рушения, так и с дробящим и метательным действием расши­ ряющихся газов, насыщавших под давлением разрушаемый уча­ сток массива.

В процессе выброса давление расширяющегося газа резко возрастает и отбрасывает разрушенную и измельченную массу породы (угля, соли и пр.) в выработку. В наклонных выработ­ ках отброс разрушенной массы усиливается благодаря дополни­ тельному действию ее собственного веса.

По мере развития выброса разрыхленная масса создает под­ пор на стенки кратера выброса, в известной мере препятствуя дальнейшему развитию процесса.

Исследования [34] показали, что при внезапных выбросах прочных газоиасыщенных песчаников в Донбассе основной их причиной являются большие тектонические напряжения, заре­ гистрированные непосредственными измерениями.

Сравнение динамических явлений разрушения участков мас­ сива— горных ударов и внезапных выбросов— показывает, что они имеют ряд общих черт: нахождение участка массива нака­ нуне разрушения в напряженном состоянии, близком к предель­ ному; лавинообразный характер развития процесса разрушения; хрупкая форма разрушения горной породы при горном ударе и внезапном выбросе. В то же время эти явления имеют и существенные различия. Характерно, что горные удары на

угольных

месторождениях приурочены

к

прочным углям, а вне­

запные

выбросы — преимущественно

к

непрочным. Ширина

зоны хрупкого разрушения при внезапных выбросах больше, чем при горных ударах. Этим обусловлен разрыв во времени между началом хрупкого разрушения участка массива и вы­ бросом разрушенной массы в выработку, т. е. значительно большая длительность внезапных выбросов по сравнению с горными ударами. При выбросе происходит значительно бо­ лее интенсивный и далекий вынос измельченной массы, чем при ударе. Дальность отброса потока измельченного угля, взве­ шенного в газе, достигает сотен метров. В то же время при гор­ ных ударах происходят более сильные повреждения выработок, чем при выбросах, поскольку разрушающие напряжения в пер­ вом случае более высоки. Об этом свидетельствует более высо­ кий частотный спектр упругих колебаний массива при горных ударах, чем при внезапных выбросах.

§102. ОЦЕНКА ВЫБРОСООПАСНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД

ИПРОГНОЗ ВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСОВ

Предварительная оценка выбросоопасности и прогноз внезапных выбросов, так же как и горных ударов, важны для своевременного принятия соответствующих проектных решений и установления должных методов ведения горных работ на выб­ росоопасных участках, пластах и шахтах. Под оценкой выбро­ соопасности понимают предвидение реакции пород в их естест­ венном залегании на проведение горной выработки. Оценка

выбросоопасности основывается на данных о свойствах горных пород, их напряженном состоянии в массиве, изменении свойств и напряженного состояния в процессе разработки.

Различают три категории методов прогноза выбросоопас­ ности горных пород: региональные, локальные и текущего про­ гноза. При этом региональные методы направлены на выявле­ ние выбросоопасных пластов, слоев или залежей в месторож­ дении, локальные — на выявление и оценку вероятности возник­ новения динамических проявлений в пределах добычных участ­ ков или шахтопластов.

Региональные и локальные методы представляют собой вид долговременного прогноза, осуществляемого на основе призна­ ков выбросоопасности пород, т. е. они предусматривают оценку опасных свойств пластов, залежей и пород. Текущие методы — вид кратковременного прогноза, основанного на улавливании и регистрации предвестников внезапных выбросов, т. е. назначе­ ние текущего прогноза состоит в оценке и предсказании выбросо­

опасного состояния

конкретного

участка пласта

или

залежи,

в предсказании места и времени внезапного выброса.

 

Р е г и о н а л ь н ы й

п р о г н о з

базируется на

связи

между

геологической характеристикой месторождения и свойствами по­ род, опасными с точки зрения проявлений внезапных выбро­ сов. В нем используют данные геологоразведочных работ, результаты изучения механических, плотностных и коллектор­ ских свойств горных пород по кернам из разведочных скважин, а также по данным геофизического каротажа. Одна из основ­ ных задач регионального прогноза состоит в определении ха­ рактера тектонических нарушений, их влияния на структуру пород, на создание раздробленных и перемятых зон. Сущест­ венное значение имеет и микротектоника: наличие перемятости пород, пликативных нарушений, пережимов, раздувов и выкли­ ниваний, а также изменение относительной мощности и механи­ ческих характеристик отдельных пачек пород. С этими измене­ ниями связаны локальные изменения напряженного состояния участков массива и возможные высокие концентрации напря­ жений, создающие опасность выбросов. Кроме того, чем больше число пропластков, пачек и слоев и чем в большей степени изменяются их прочность и мощность, тем большие количества потенциальной энергии могут накапливаться и внезапно высво­ бождаться при ведении горных работ.

При региональном прогнозе выявляют также наличие в кровле и почве залежи прочных слоев или пластов пород, способных зависать над очистным пространством, создавая вы­ сокие концентрации напряжений вблизи забоя. Устанавливают газоносность, газонасыщенность пород, давление в них газа. Внезапные выбросы в угольных пластах могут происходить при минимальном давлении газа 2—3 кгс/см2. Если давление газа