книги / Основы механики горных пород

Влияние очистной выработки на снижение напряжений в массиве пород в пределах зоны разгрузки по мере удаления вверх и вниз от выработки затухает. Поэтому если тот или иной пласт, слой, залежь попадают в зону разгрузки, создавшуюся при отработке защитного пласта (слоя), это еще не гарантирует устранения опасности динамических проявлений горного давле­ ния. Лишь в пределах некоторой части зоны разгрузки, где на­ пряжения снижаются в достаточно большой степени, разра­ ботка становится безопасной по горным ударам. Эта часть зоны разгрузки и является защищенной зоной.

Для обеспечения эффективной защиты от внезапных выбросов необходимо выполнение ряда дополнительных условий; снижение давления газа в опасном пласте, уменьшение газоносности угля и повышение его газопроницаемости. Обычно снижение давления газа в опасном пласте до уровня 5—8 кгс/см2, происходящее под влиянием опережающей отработки защитного пласта, обес­ печивает надежное предотвращение внезапных выбросов. Вме­ сте с тем абсолютное значение давления газа не является стро­ гим критерием выбросоопасности, так как последняя зависит

иот ряда других влияющих факторов. Проф. А. Э. Петросян

вработе [99] показал, что на выбросоопасность влияет не только давление газа, но и количество свободного газа, находящегося под этим давлением. Проф. И. М. Петухов и докт. физ.-мат. наук А. М. Лильков считают [104], что опасность выброса от­ сутствует при выполнении любого из двух условий: 1) энергия недостаточна для разлета со скоростью порядка несколько мет­ ров в секунду; 2) сила недостаточна для отрыва частиц. Каж­ дое из них определяет свое безопасное давление, при этом за критический уровень принимается большее из этих давлений. Поскольку для выбросоопасных материалов энергетические ус­ ловия выполняются практически всегда, решающую роль в раз­ вязывании выброса играют силовые условия, т. е. критическое давление определяется силовыми условиями. В работе [104]

где ра — атмосферное давление.

Расчеты по формуле (420) показывают, что только в весьма неблагоприятных условиях, в частности при очень слабых уг­ лях (коэффициент крепости ниже 0,3 по шкале проф. М. М. Про-

нйй напряженно-деформационного состояния массива горных пород междупластья и интенсивностью дегазации пласта по эксплуатационным трещинам, образующимся в толще пород в результате их подработки и надработки.

Степень дегазации подрабатываемого (надрабатываемого) выбросоопасного пласта зависит от интенсивности образования системы газопроводящих трещин, их размеров, протяженности и местоположения, т. е. от газопроницаемости междупластовой породной толщи.

В основу расчета газопроводящих трещин, образующихся в толще междупластья при ее подработке и надработке, поло­ жена следующая физическая модель.

Сдвижение горных пород выше зоны обрушения происходит в форме последовательного прогиба слоев с разрывом и без разрыва сплошности. При изгибе подрабатываемого породного слоя в нем образуются как зоны сжатия, так и зоны растяже­ ния. При определенных условиях в зонах растяжения в пород­ ных слоях и угольных пластах происходит раскрытие природ­ ных трещин и микропор, а также образование эксплуатацион­ ных трещин разрыва, которые могут создавать системы газо­ проводящих каналов в междупластовой породной толще между выбросоопасными и защитным пластами.

При прогибе подрабатываемых и (в значительно меньшей степени) надрабатываемых породных слоев, залегающих за пределами зоны интенсивного развития трещиноватости пород с разрывом их сплошности, могут образоваться полости рас­ слоения пород, которые при определенных условиях заполня­ ются газом, десорбировавшимся из частично разгруженных от горного давления угольных пластов. Скорость десорбции газа из угля находится в тесной зависимости от зияния и скорости развития газопроводящих трещин эксплуатационного генезиса. Раскрытие природных и образование эксплуатационных трещин в междупластовой породной толще может повышать газоотдачу подзащитных угольных пластов на 2—4 порядка по срав­ нению с природной.

Раскрытие в породных толщах трещин и микропор и появ­ ление эксплуатационных трещин с образованием системы газо­ проводящих каналов нарушает состояние динамического равно­ весия системы «уголь — метан» в под- и надрабатываемых тол­ щах, вызывая десорбцию метана из угля. Остаточное давление метана в подзащитном угольном пласте, определяющее остаточ­ ную газоносность его угля, зависит (при прочих равных усло­ виях) от степени газопроницаемости нарушенной эксплуатаци­ онными трещинами междупластовой породной толщи.

На основании многочисленных инструментальных измерений с привлечением положений механики горных пород, установлено [51] следующее условие образования газопроводящих трещин

в подрабатываемых слоях при пологом залегании пластов:

текр-103

где М — мощность междупластья; т — вынимаемая мощность пласта; еКр — относительная деформация растяжения, при кото­ рой происходит разрыв сплошности пород. Значения екр для различных пород приведены в гл. 14. Расчеты по формуле (421) и натурные наблюдения показывают, что при М ^ . (254-40) т в любых осадочных породах образуется сквозной газопроводя­ щий канал, а при М ^ 1 2 5 т секущие трещины в осадочных по­ родах, включая угольные пласты, не образуются совсем.

При 25< М /т< 125 секущие трещины в массиве горных по­ род не образуют единую газопроводящую систему, вследствие чего на пути движения газа от выбросоопасного пласта к за­ щитному появляется дополнительное сопротивление. При опре­ деленном соотношении М/т это сопротивление становится не­ преодолимым, и газ от выбросоопасного пласта к защитному перестает поступать. Такое положение в условиях пологого за­ легания пластов наступает при М / т ^ 80, когда сквозные секу­ щие трещины не образуются даже в песчаниках (екр^ 0 ,0 0 3 ). Поэтому при подработке в условиях М /т ^ 80 уменьшение дав­ ления газа в выбросоопасном пласте происходит за счет увели­ чения его объема, т. е. миграции во вмещающие пласт породы, расширившиеся в вертикальном направлении вследствие упру­ гого восстановления и расслоения пород. При последующем уп­ лотнении пород позади линии подрабатывающего очистного за­ боя защитного пласта давление газа в выбросоопасном пласте может восстановиться.

По степени дегазации подработанный массив горных пород можно разделить на следующие четыре зоны (при пологом за­ легании пластов): I — М /т ^ .25, II — 80^M /m > 25, I I I — 125> > М /т > 80, IV — М /т>125.

При залегании выбросоопасного пласта в пределах первой зоны происходит практически полная дегазация угля, при этом остаточное давление газа в нем практически не зависит ни от природного давления газа, ни от радиуса дегазации — соотно­ шения М/т.

При залегании выбросоопасного пласта в пределах второй зоны дегазация его происходит менее интенсивно, чем в первой зоне, причем степень дегазации находится в обратной зависи­ мости от соотношения М/т. Остаточное давление газа в подра­ ботанном пласте в этих условиях мало зависит от природного давления.

В третьей зоне происходит частичная, временная дегазация рыбросоопасного пласта за счет миграции части десорбировав-

/

//

— ~1Г7 ------------- ---------------------

Рис. 151. Перемещение зон опорного давления и разгрузки по мере разви­ тия горных работ по простиранию (зоны разгрузки со стороны неподвиж­ ного и двигающегося забоев оконтурены штриховой линией).

I и II — положение забоя в различные моменты времени.

шегося газа в трещины, образовавшиеся в расширившихся ок­ ружающих пласт породах. Остаточное давление в этих усло­ виях существенно зависит от природного давления газа в пласте.

В четвертой зоне дегазация подрабатываемого выбросоопас­ ного пласта практически не происходит вследствие большого удаления его от вынимаемого защитного пласта.

Исключительную важность имеет соотношение развития гор­ ных работ в пространстве и во времени по защитному и за­ щищаемым пластам, слоям или залежам, чтобы не допустить повторного опасного нагружения участков последних. Эффект повторного нагружения можно проследить на примере разви­ тия горных работ по простиранию пласта (рис. 151). При поло­ жении неподвижного забоя в точке А, а перемещаемого в точке Б в массиве образуются защищенные зоны, оконтуренные на рис. 151 штриховыми линиями. Очистные работы по смежным защищаемым пластам необходимо развивать таким образом, чтобы линии очистных забоев по этим пластам не выходили из контура защищенных зон. При отставании очистных работ по защищаемому пласту забой может оказаться в зоне опорного давления, создаваемого со стороны выработанного пространства защитного пласта, т. е. оказаться в таких же или даже более

неблагоприятных условиях, чем это имело место при отсутствии разработки защитного пласта.

Разгрузка от напряжений при опережающей отработке за­ щитных пластов распространяется на значительно большие рас­ стояния, чем дегазация. Помимо того разгрузка выбросоопас­ ных пластов и вмещающих пород происходит практически мгновенно, а газодинамическое состояние их изменяется мед­ ленно. Поэтому усиление эффекта защитного действия под- и надработки осуществляется путем искусственной дегазации скважинами, создающими дополнительные каналы для движе­ ния газа от выбросоопасного пласта к защитному или на днев­ ную поверхность. При наличии сетки скважин с параметрами, обеспечивающими взаимное их влияние, достигается достаточно равномерное снижение газового давления по всей площади пласта. Скважины бурятся до подхода защитного пласта, т. е. до начала интенсивного газовыделения из подили надрабатываемого подзащитного пласта. В ряде случаев защитная отра­ ботка применяется для повышения эффективности локальных мероприятий.

Примечательно, что газонасыщенные породы после их дега­ зации приобретают более высокую прочность и в некоторых слу­ чаях становятся опасными по горным ударам. Тогда при их разработке требуется выполнение описанных выше условий со­ отношения очистных работ по защитному и защищаемым плас­ там и залежам.

Свиты пластов в зависимости от местоположения защитного пласта могут разрабатываться в нисходящем, восходящем и смешанном порядках. В тех же случаях, когда опасными явля­ ются все пласты свиты, в качестве защитного следует выбирать наименее опасный и наиболее перспективный с точки зрения защитного действия пласт, отработка которого должна вестись как одиночного.

Планируя развитие горных работ по защитному и защищае­ мым пластам, устанавливают границы защитного действия пласта, разрабатываемого в первую очередь. Они зависят от мощности междупластья, ширины очистного пространства по защитному пласту и угла падения пород. На рис. 152 показана схема определения защищенных зон на разрезе вкрест прости­ рания для условий подработки и надработки.

При слоевой разработке пластов или залежей, опасных по горным ударам или внезапным выбросам, первый отрабатывае­ мый слой является защитным по отношению к остальным слоям.

Ведение горных работ в пределах полностью защищенных зон исключает возможность проявления внезапных выбросов угля и газа. Однако в практике горного дела нередко встреча­ ются случаи частичной защиты, когда для усиления защитного

Рис. 152. Схема определения защи­ щенных зон на разрезе вкрест про­ стирания.

действия подили надработки необходимо применять дополни­ тельные мероприятия. Это связано с тем, что зона разгрузки распространяется в кровлю и почву пласта значительно дальше (в 2—2,5 раза), чем зона полной защиты. Количественная оценка степени защиты производится с помощью показателя защитного действия, определяемого из выражения

где М — мощность междупластья, м; 5ц2) — параметр дальности защищенной зоны, м.

При значении /С>1 обеспечивается полная защита и допол­ нительных мероприятий не требуется. При /(<0,7 дополнитель­ ные меры необходимы, при этом чем меньше значение К , тем более жестки должны быть дополнительные меры. При К, близком к 1, дополнительные меры иногда ограничиваются контролем эффективности защитного действия.

Наибольшее усиление эффективности защитного действия под- и надработки достигается, как указывалось выше, искус­ ственной дегазацией выбросоопасного пласта с помощью сква­ жин. Иногда в качестве дополнительной меры применяется на­ гнетание воды в пласт, вызывающее раскрытие пустотностей в зоне разгрузки. Весьма эффективным является применение за­ кладки выработанного пространства выбросоопасных пластов. Так, на шахте «Красный Октябрь» ПО «Орджоникидзеуголь» за счет гидравлической закладки выработанного пространства защищаемых выбросоопасных пластов границы защищенных зон были расширены на 25—30 %, так как при закладке про­ изошло выравнивание и более благоприятное распределение на­ пряжений в опорной зоне краевой части защищаемого опасного пласта.

В условиях крутого падения пород очистной забой подра­ батываемого пласта или залежи на рабочем горизонте не пол­ ностью попадает в защитную зону (рис. 153). Для безопасной отработки таких участков применяют различные варианты: опе-

Рис. 153. Расположение незащищен­ ного участка подрабатываемого пла­ ста (залежи) в условиях крутого па­ дения.

I — квершлаг; 2 — очистная выработка по защитному пласту; 3 — незащищенный уча­ сток подрабатываемого пласта,

режающую разработку защитного пласта на нижнем горизонте, отработку защитного пласта ниже горизонта откаточного штрека на высоту незащищенной зоны, временное оставление незащи­ щенной зоны нетронутой с отработкой вышележащей части пласта на полевой штрек через промежуточные газенки и др. При борьбе с внезапными выбросами в таких условиях находят применение локальные мероприятия, в том числе бурение опе­ режающих дегазационных скважин, гидрорыхление, гидроот­ жим, образование разгрузочных пазов.

Особенно неблагоприятные условия в отношении опасности по горным ударам и внезапным выбросам могут создаваться при оставлений целиков в выработанном пространстве защит­ ного пласта, поскольку такие целики передают давление и спо­ собствуют возникновению высоких концентраций напряжений на локальных участках массива. В соответствии с этим остав­ ление целиков при отработке защитного пласта не допускается.

§ 106. ВЫБОР СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ

Основное требование к системам разработки в условиях

с высокой концентрацией напряжений в них. Это значит, что следует выбирать системы разработки, которые не предусматри­ вают оставление целиков и наличия выступающих участков пласта или залежи.

Вудароопасных условиях, кроме того, предпочтительны си­ стемы, в которых не предусматривается проведение выработок

вмассиве полезного ископаемого впереди очистных работ либо объем таких выработок минимален. Этим требованиям в наи­ большей степени удовлетворяют различные варианты сплош­ ной системы разработки. При разработке мощных пластов или залежей следует, как правило, предусматривать слоевую отра­ ботку с выемкой защитного слоя также сплошной системой.

Ввыбросоопасных условиях, где наряду со снижением на­ пряжений в краевых частях массива, требуется также осуществ-

лить дегазацию, при отсутствии защитных пластов рекомендуют применять столбовые системы разработки. При этом используют нарезные горные выработки для доразведки участка и прове­ дения региональных профилактических мероприятий.

Для снижения ударо- и выбросоопасности существенное зна­ чение имеет способ управления кровлей. Выбором соответству­ ющего способа управления кровлей можно достичь снижения концентрации напряжения в краевой части массива полезного ископаемого и обеспечивать возможно более плавное измене­ ние напряжений в зоне опорного давления по мере подвигания очистного забоя. В условиях легкообрушающихся кровель та­ ким способом является полное обрушение, а при труднообрушающихся кровлях — частичная или же полная закладка. При этом для выбросоопасных пластов рекомендуют полную гид­ равлическую закладку с очень малой усадкой закладочного ма­ териала. Значение оптимальных параметров управления кров­ лей велико в тех случаях, когда горные удары или внезапные выбросы являются следствием резких смещений налегающих по­ род. В тех же случаях, когда динамические проявления горного давления имеют место вследствие неоднородности механиче­ ских свойств массива полезного ископаемого, одним лишь вы­ бором способа управления кровлей и его параметров нельзя устранить опасность горных ударов или внезапных выбросов.

При разработке мощных пластов и залежей первый (верх­ ний защитный) слой целесообразно отрабатывать на мини­ мально возможную мощность, применяя локальные способы предупреждения горных ударов или внезапных выбросов. Ос­ тальные слои можно отрабатывать как неопасные и на боль­ шую мощность.

Линия очистного забоя в ударо- и выбросоопасных условиях должна поддерживаться по возможности максимально прямой.

в районе разделяющего их подэтажного штрека не накладыва­ лись друг на друга.

В случае если в удароопасных условиях неизбежно приме­ нение столбовой системы разработки, подготовительные выра­ ботки следует проводить широким ходом с двухсторонней рас­ коской либо применять локальные мероприятия. Расстояние между бремсбергами необходимо принимать максимально большим, а переход очистным забоем через эти передовые вы­ работки должен осуществляться по особому проекту, предус­ матривающему комплекс локальных мероприятий.

Во всех случаях, когда это возможно, в ударо- и выбросо­ опасных условиях следует применять системы и технологию безлюдной выемки с дистанционным управлением добычными

механизмами, машинами и комплексами. В таких случаях часть ограничений снимается, расширяются возможности более широ­ кого применения различных систем разработки, в частности камерных и камерно-столбовых. В качестве перспективных ме­ ханизмов для отбойки полезного ископаемого при малой и средней крепости последнего можно назвать канатные пилы, струги, узкозахватиые комбайны. В условиях ударо- и выбро­ соопасных пластов весьма целесообразно применение гидрав­ лического способа добычи. Следует, однако подчеркнуть, что безлюдные способы добычи обеспечивают безопасность людей, но не устраняют возможности повреждения машин и механиз­ мов, нарушения ритмичности технологического процесса и про­ ведения опасных ремонтно-восстановительных работ после гор­ ных ударов и внезапных выбросов.

§ 107. РЕГИОНАЛЬНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПО ДЕГАЗАЦИИ И УВЛАЖНЕНИЮ ВЫБРОСООПАСНЫХ ПОРОД

Региональные мероприятия по дегазации и увлажнению выбросоопасных пород в ряде случаев оказываются весьма эф­ фективными, позволяют полностью устранить внезапные вы­ бросы. Эти меры осуществляют обычно в пределах значитель­ ных участков рабочего горизонта за 3—6 мес., иногда за год, до подхода очистных горных работ. В некоторых случаях реги­ ональную дегазацию применяют одновременно с подработкой или надработкой пласта или залежи. В других случаях регио­ нальной дегазации подвергают участки полезного ископаемого,

чем во втором. В. В. Ходот называет поэтому первый вид дега­ зации быстродействующей, второй — длительной дегазацией [155].

Экспериментальные исследования показали, например, что при разгрузке угольных пластов от напряжений их газопро­ ницаемость увеличивается в сотни раз, и соответственно возрас­ тает скорость движения газа и его выделения через скважины.

Для дегазации участок полезного ископаемого предвари­ тельно вскрывают горными выработками, из которых бурят восстающие дегазационные и увлажнительные скважины, обычно на высоту горизонта или этажа. В некоторых случаях скважины на данный пласт или залежь бурят с соседнего пласта, уже вскрытого горными выработками, а иногда и иг­ рающего роль защитного по отношению к данному пласту или залежи. Диаметр скважин существенной роли не играет, так что возможно использование скважин небольшого диаметра (80— 100 мм). Однако дегазация как средство предупреждения

внезапных выбросоь «ффективна при достаточно высокой газо­ проницаемости полезного ископаемого или пород.

Кроме того, кровля и почва пласта или залежи должны быть водоустойчивы. Применяют следующие способы увлажнения: низконапорное увлажнение; высоконапорное нагнетание воды и растворов; гидравлическое рыхление, осуществляемое путем гидравлического разрыва из горных выработок либо с поверх­ ности; гидравлическое рыхление в комбинации с дегазацией.

В некоторых случаях, особенно при высокой выбросоопасности, увлажнение применяют параллельно с дегазацией. Для этого через те же скважины, которые использовали для дега­ зации, нагнетают воду в отрабатываемый пласт. В результате предварительного увлажнения снижаются упругие свойства пласта, повышается способность к пластическим деформациям и соответственно снижается способность накапливать опасные количества упругой энергии. Применяют и комбинированные схемы, когда через одни скважины осуществляют дегазацию участка пласта, а через другие ведут одновременно и его ув­ лажнение, создавая этим лучшие условия для выделения газа.

Для предотвращения внезапных выбросов угля и газа путем увлажнения пласта влажность угля после нагнетания сле­ дует доводить до 5 % и более, а количество поданной в сква­ жину воды должно составлять 0,02—0,04 м3/т. При этом давле­ ние нагнетания не должно вызывать гидравлического расчле­ нения, т. е. должны соблюдаться следующие условия:

у устья скважины, т/м2; у — средняя плотность вмещающих по­

чтобы ее забой находился на 5 м ниже отметки откаточного или промежуточного штреков. При наличии заранее пройденных выработок скважина не добуривается до выработки на значе­ ние, равное 55 % зоны эффективного увлажнения.