книги / Основы механики горных пород

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

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

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

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

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

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)

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

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

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

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

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