книги / Основы механики горных пород

достигает 10— 15 кгс/см2, выбросы обычно сопровождаются за­ полнением выработок газом, в подготовительных выработках происходит уплотнение выброшенных пород.

Существенное значение в региональном прогнозе имеет ха­ рактеристика гидрогеологических условий. С увеличением со­ держания влаги в породе выбросоопасность понижается, по­ скольку в первую очередь возрастает способность породы к пластическим деформациям и снижается способность к хруп­ кому разрушению. Кроме того, адсорбирование влаги ведет к понижению сорбционной емкости породы по газу. Сорбцион­ ная емкость по газу влагонасыщенных каменных углей, напри­ мер, снижается примерно вдвое. Увлажнение пород сверх пре­ дела их адсорбционного насыщения в смеси с газом (для ка­ менных углей разных марок этот предел составляет от 4 до 7 %) приводит к обводнению этих пород. При обводнении помимо адсорбции происходит капиллярная конденсация воды. Приточная и капиллярная влага закупоривают тонкие поры горных пород, препятствуя десорбции газа. При увеличении же водопрнтока вода может заполнять также более крупные поры

итрещины, еще более затрудняя фильтрацию газа.

Овлиянии глубины разработки, мощности и угла падения пород говорилось выше. Эти факторы тоже учитывают в регио­

нальном прогнозе.

При региональном прогнозе обычно используют также метод аналогий, сравнивая горно-геологические условия рассматри­ ваемого месторождения или массива с аналогичными, где уже ведут разработку и имеются наиболее достоверные сведения о выбросоопасности.

Региональные методы являются приближенными, поскольку они характеризуют массивы пород по ограниченному количеству данных: по немногим разрезам, точкам, пробам. Степень до­ стоверности регионального прогноза находится в прямой зави­ симости от полноты данных геологической разведки, которые должны содержать сведения о прочности, упругих характери­ стиках, степени нарушенности пород, вскрываемых разведоч­ ными скважинами, вероятной напряженности массива, о давле­ нии газа в породах, их газопроницаемости, влажности, сорбци­ онной емкости.

Данные регионального прогноза учитывают на стадии про­ ектирования: при составлении комплексных проектов развития горнодобычных районов, создании проектов новых шахт и руд­ ников, проектов вскрытия и разработки новых горизонтов. Эти данные проверяют и уточняют по мере вскрытия, подготовки и разработки месторождений с помощью методов локального прогноза.

стков шахтного поля при подготовке их к эксплуатации. Он включает в себя количественные определения прочностных и упругих свойств пород и их изменений, экспериментальное из­ мерение действующих напряжений и оценку изменений напря­ женного состояния вследствие изменчивости горно-геологиче­ ских условий и под влиянием горных работ, определение давле­ ния газа в породах, пористости, газопроницаемости, влажности, сорбционной емкости. Значения и вариации этих показателей позволяют определять вероятность внезапных выбросов и осу­ ществлять контроль выбросоопасности подготавливаемых к раз­ работке участков.

В локальном прогнозе из количественных характеристик оп­ ределяют комплексные показатели выбросоопасности, в той или иной степени учитывающие основные факторы, с которыми свя­ зана потенциальная возможность выбросов. В частности, для угольных пластов был предложен показатель [151]

где Р — показатель скорости газоотдачи; / — коэффициент кре­ пости; С — показатель ситового анализа.

В работе [107] для оценки выбросоопасности мощных плас­ тов в месте их вскрытия предложено пользоваться показателем

Пласт считают опасным по выбросам при 77в^ 0.

Т е к у щ и й п р о г н о з внезапных выбросов основан на визу­ альном и инструментальном улавливании предвестников внезап­ ных выбросов, проявляющихся иногда за несколько минут или даже секунд до выброса, на регистрации изменений напряжен­ ности пород и газодинамического режима в процессе ведения горных работ. Задачей текущего прогноза является своевремен­ ное предупреждение о переходе участка массива в опасное или, наоборот, в неопасное состояние.

Среди предвестников внезапных выбросов, которые могут быть зафиксированы визуально, отмечают: изменение крупно­ сти штыба при бурении шпуров и скважин, интенсивное раз­ деление породных кернов (при керновом бурении опережающих прогнозных скважин) на диски, толчки на буровой инструмент и зажатие штанг, изменение блеска угля, образование облачка пыли у забоя, похолодание воздуха у забоя, усиление газовыделения, появление чешуйчатости пород и отделение от забоя вкрест наслоению пород тонких породных пластин (толщиной от нескольких миллиметров до 1—2 см), увеличение дальности отброса от забоя и степени измельчения пород при взрывании, возрастание коэффициента использования шпуров до единицы

идаже более и др. В различных горно-геологических условиях эти предвестники проявляются по-разному и в неодинаковой степени.

Предвестником внезапных выбросов служит также измене­ ние сейсмической и звуковой активности пород. На учете фак­ тора сейсмоакустической активности основан сейсмоакустический метод прогноза внезапных выбросов, аналогичный тако­ вому же для прогноза горных ударов (см. гл. 18).

Сейсмоакустические наблюдения позволяют оценить интен­ сивность микроразрушений, определить местоположение очагов наиболее интенсивного микроразрушения и трещинообразования

ивыявить наличие выбросоопасных зон по критической ско­ рости трещинообразования. Степень снижения сеймоакустиче­ ской активности позволяет также оценивать эффективность ме­ роприятий, направленных на устранение выбросоопасной си­ туации.

Следует, однако, иметь в виду, что аномальное возрастание сейсмоакустической активности (шумности) участка массива не всегда свидетельствует о выбросоопасной ситуации. В опреде­ ленных случаях оно предшествует внезапным высыпаниям, осад­ кам кровли и другим явлениям в породном массиве. Поэтому сейсмоакустический прогноз не всегда обеспечивает стопроцент­ ную надежность и в таких случаях требует дополнения другими методами.

Новые принципы прогнозирования выбросоопасности и оп­ ределения безопасной зоны в призабойной части угольного пласта разрабатываются в настоящее время в ИПКОН АН

СССР под руководством проф. А. Т. Айруни [5, 134]. В основе этих принципов лежит комплексное использование микроструктурных особенностей строения вещества угля и его преобразо­ ваний, изменений термодинамических характеристик свежеоб­ наженного угольного забоя, рефракции ультразвукоакустиче­ ской и электромагнитной эмиссий и других физических и физико-химических показателей, характеризующих динамику состояния системы «уголь — метан — природная влага» в зави­ симости от внешних воздействий, связанных с различными при­ родными и технологическими процессами. Так, установлено [134], что нарастание давления метана в угольном пласте до природного значения в выбросоопасных зонах опасных пластов происходит в 5—10 раз медленнее, а абсолютное значение на 60—70 % выше, чем в невыбросоопасных зонах опасных плас­ тов. Природная газопроницаемость опасных угольных пластов в выбросоопасных зонах на 1—2 порядка ниже таковой у не­ выбросоопасных зонах этих же пластов, хотя природная газо­ проницаемость выбросоопасных пластов в 1,5—2,5 раза выше природной газопроницаемости невыбросоопасных плас­ тов.

Угли выбросоопасных пластов в опасных зонах характери­ зуются тектонической перемятостыо и нарушенностыо, имеют зоны супермилонитовых структур, представленных переизмельченным угольным веществом с размером отдельных зерен ме­ нее 1 мкм, которое заполняет первичные трещины и задержи­ вает газ в угле при незначительных пригрузках, что ведет к накоплению газа впереди движущегося забоя, при этом вы­ сокодисперсные фазы поглощают большое количество газа и десорбируют его с большой скоростью при возникновении срав­ нительно малых нарушений сплошности. Важным отличитель­ ным признаком выбросоопасных углей является наличие зако­ номерной текстуры в ограниченных объемах и ее отсутствие в объемах, превышающих 0,001 м3, что объясняется влиянием тектонических процессов в зонах дислокационных нарушений. Для выбросоопасных углей характерно также наличие эмульси­ онных, равномерно распределенных хминеральных включений. Имеются и другие отличительные признаки выбросоопасности, изучение которых продолжается. На основе использования этих признаков и изложенных выше новых принципов предполагается [6] создать автоматизированные методы прогнозирования выбро­ соопасности, осуществляющие непрерывное и бесконтактное определение свойств и состояния призабойной части угольного пласта с дистанционной передачей информации на поверхность или непосредственно на систему управления механизмами.

В бассейнах и на месторождениях с проявлениями внезап­ ных выбросов пород и газа в СССР и за рубежом организуют специальные службы прогноза этих явлений. Такие службы дают заключения об отнесении отдельных участков массива, пластов, слоев пород к различным категориям выбросоопасно­ сти, осуществляют текущий прогноз выбросоопасности, в преде­ лах опасных по выбросам в целом пластах или залежах выде­ ляют опасные и неопасные зоны, устанавливают степень эффек­ тивности различных профилактических мер, консультируют технический персонал горных предприятий по рекомендуемым профилактическим мерам.

Глава 20. СПОСОБЫ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ

И БОРЬБЫ С ОПАСНЫМИ ДИНАМИЧЕСКИМИ ПРОЯВЛЕНИЯМИ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ

ВРУДНИКАХ И ШАХТАХ

§103. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Меры предупреждения и борьбы с горными ударами и внезапными выбросами в значительной степени базируются на одних и тех же принципах, поскольку эти явления связаны с по­ вышенной напряженностью горных пород.

Основной принцип состоит в управлении (снижении) напря­ женностью пород, т. е. в разгрузке соответствующих частей массива полезного ископаемого или пород от опасных напря­ жений, в изменении их механических свойств (в первую оче­ редь в повышении способности к пластическим деформациям). Кроме того, при предупреждении внезапных выбросов, произ­ водят дополнительно дегазацию пластов, слоев и залежей.

Можно выделить региональные меры предупреждения гор­ ных ударов и внезапных выбросов пород и газа, осуществляе­ мые задолго до их проявления и охватывающие добычные участки или же пласты, и локальные меры, относящиеся к от­ дельным горным выработкам.

К региональным мерам относятся: опережающая отработка защитных пластов (слоев, залежей); предварительная дегаза­ ция массива скважинами; профилактическое увлажнение или рыхление пласта впереди очистных выработок или на подго­ тавливаемом горизонте. Локальными мерами являются: буре­ ние опережающих разгружающе-дегазирующих скважин из дей­ ствующих выработок; обработка опасного массива нагнета­ нием воды в пласт под давлением в режимах гидрорыхления, гидроотжима и гидроразрыва; гидровымыв полостей и щелей; взрывное рыхление: применение разгрузочных щелей и опере­ жающей крепи.

Опыт показывает, что наиболее радикальным является при­ менение региональных мер, которые позволяют своевременно выявить пласты, слои пород, залежи или крупные участки шахтных полей, опасные по горным ударам или внезапным вы­ бросам, предусмотреть проектом и осуществить на стадии вскрытия и подготовки рациональные решения, приемы и после­ довательность ведения горных работ, которые полностью устра­ няли бы опасные динамические проявления горного давления или сводили их к минимуму.

О том, насколько это валено, свидетельствует приводимый И. М. Петуховым пример шахт Кизеловского бассейна [37], где главные трудности решения проблемы борьбы с горными уда­ рами были тем и обусловлены, что к борьбе с горными уда­ рами приступили лишь тогда, когда они начали проявляться в большом количестве и с большой силой. Однако к этому вре­ мени многие основные горные выработки на ряде шахт и гори­ зонтов были пройдены без учета опасности проявления горных ударов, проектами предусматривался неоптимальный по фак­ тору горных ударов порядок развития горных работ, применение неблагоприятных систем разработки. В связи с этим потребо­ валось свыше десяти лет, чтобы перестроить работу основных шахт бассейна с учетом удароопасности пластов.

В настоящее время при планировании и ведении горных ра­ бот в угрол<аемь!х и опасных по горным ударам и внезапным

выбросам месторождениях соблюдаются следующие общие принципы:

— нарезка месторождения на шахтные поля и их отработка производится с учетом обеспечения планомерного извлечения запасов без образования участков с большой концентрацией напряжений;

■— максимально возможное использование опережающей от­ работки защитных пластов (залежей);

—исключение встречных и догоняющих фронтов очистных

работ;

—уменьшение количества горных выработок впереди фронта

очистных работ в отрабатываемых удароопасных пластах (за­ лежах) ;

—сокращение камерных систем разработки;

—применение узкозахватной выемки;

—предупреждение зависания кровли над выработанным пространством.

§ 104. ВСКРЫТИЕ ПЛАСТОВ И ЗАЛЕЖЕЙ

Вскрытие одиночных пластов и залежей полезного ис­ копаемого или свит пластов следует осуществлять выработками, проходимыми по породам или пластам, не опасным по горным ударам и внезапным выбросам. В таких случаях возможность динамических проявлений горного давления возникает лишь в момент подхода вскрывающих капитальных выработок к пла­ сту или залежи, опасным по горным ударам или внезапным выбросам, либо при пересечении этого пласта (залежи). Одним из способов устранения опасности динамических проявлений на участке пересечения полезного ископаемого вскрывающей вы­ работкой является разгрузка вскрываемого участка посредством отработки защитного слоя вокруг выработки (рис. 146). Эф­ фективен и другой способ, состоящий в изменении механических свойств вскрываемого участка полезного ископаемого посред­ ством сотрясательного взрывания через глубокие опережаю­ щие скважины, буримые из забоя вскрывающей выработки в полезное ископаемое. При вскрытии угольных пластов, опас­ ных по внезапным выбросам, применяют также их увлажнение через передовые скважины, гидровымывание и дегазацию. Гид­ ровымывание особенно целесообразно при сложной структуре угольных пластов и наличии в них перемятых пачек угля.

Для повышения производительности работ при гидровымы­ вании применяются различные механизмы, в том числе специ­ ально созданная для этих целей установка УГВ-1. Гидровымы­ вание производится через скважины диаметром 80—200 мм, пробуренные из квершлага в опасный пласт через породную «пробку» толщиной свыше 4 м, оставленную между забоем

Рис. 149. Условия сбойки пересекающихся вырабо­ ток.

а и б— рекомендуемые ва­ рианты; в— неблагоприят­

ный вариант.

1— горные выработки; 2—

контур зоны повышенных напряжений.

случае нормальные напряжения на контуре распределяются более равномерно по периметру выработки (рис. 147) и в на­ правлении, нормальном к продольной оси выработки, состав­

невозможно расположить в оптимальном направлении, то им целесообразно придавать шатровую форму свода (рис. 148), которая более устойчива вследствие уменьшения размеров зоны хрупкого разрушения пород на контуре. Параметры рас­

ходимо назначать в наименее напряженных зонах (рис. 149). Для предотвращения внезапных выбросов при вскрытии угольных пластов стволами применяются способы увлажнения угольного массива через скважины диаметром 43— 100 мм, про­ буренные с расстояния не менее 6 м по нормали к пласту, или производится бурение дегазационных скважин диаметром 70— 1 0 0 мм при обнажении пласта и не менее 2 0 0 мм при пересе­ чении пласта с последующим возведением каркасной крепи из металлических стержней или труб, зацементированных в сква­

жинах, опережающих забой ствола на 2 м и более.

§ 105. ОПЕРЕЖАЮЩАЯ ОТРАБОТКА ЗАЩИТНЫХ ПЛАСТОВ

Основным и наиболее надежным из региональных ме­ роприятий по предотвращению горных ударов и внезапных вы­ бросов является опережающая отработка защитных пластов [54]. Сущность ее состоит в следующем. Залежь, пласт или слой полезного ископаемого, опасный по горным ударам или внезап­ ным выбросам, предварительно подрабатывают или же надрабатывают другим пластом. В процессе подработки (надработки) в определенных частях массива в результате сдвижения горных пород возникают зоны разгрузки, т. е. зоны пониженных напря­ жений, что делает разработку удароили выбросоопасного пласта в пределах этих зон безопасной. Пласт или слой, отра-

Рис. 150. Схема перераспределения горного давления в пределах области влияния очистной выработки по защитному пласту.

батываемый первоначально, называют защитным, а пласт, за­ лежь или слой, опасный по горным ударам или внезапным вы­ бросам, отрабатываемый вслед за защитным,— защищаемым или подзащитным. В выбросоопасных пластах, слоях и залежах наряду с разгрузкой от напряжений при отработке защитного пласта (слоя) в результате разрыхления сдвигающихся пород и образования в них трещин, кроме того, происходит дегазация, вследствие чего снижается газонасыщенность и давление газа, что также устраняет опасность внезапных выбросов.

На рис. 150 представлена схема перераспределения горного давления в пределах области влияния очистной выработки по защитному пласту (слою). В этой области в соответствии с из­