книги / Основы механики горных пород

В неравенстве (424) знак плюс относится к скважинам, про­ буренным по восстанию пласта, знак минус — к скважинам, пробуренным по падению.

Скважины следует бурить на значительном расстоянии от очистного забоя — в зоне статического горного давления.

Значение региональных способов устранения выбросоопасности особенно велико в условиях применения механизирован­ ных крепей и добычных механизированных комплексов, по­ скольку использование локальных мер защиты при этих сред­ ствах механизации затруднительно и по существу свело бы на нет преимущества механизации очистных горных работ.

§ 108. ЛОКАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ГОРНЫХ УДАРОВ И ВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСОВ

В отличие от региональных действие локальных спосо­ бов ограничивается призабойной частью массива в подготови­ тельных или очистных выработках. Предложено большое число локальных способов, применяемых в тех или иных горно-гео­ логических условиях. При этом в ряде случаев применяют не один какой-нибудь, а два или даже три способа в некотором оп­ тимальном их сочетании для данных конкретных условий. Это сочетание устанавливают опытным путем.

При применении локальных способов предотвращения вне­ запных выбросов угля и газа в забоях подготовительных и очистных выработок должно выполняться следующее условие:

= K.m.'sjb, т — мощность угольного пласта, м; К — коэффициент, зависящий от степени опасности шахтопласта (участка), ско­ рости подвигания забоя и других факторов, определяемый экс­ периментальным путем или устанавливаемый по инструктив­ ным материалам для каждого способа предотвращения внезап­ ных выбросов; его значения колеблются в пределах от 0,5 до 2; b — подвигание забоя выработки за один цикл выемки угля, м; п — допустимое число выемочных циклов.

По характеру воздействия можно выделить следующие группы локальных способов:

а) понижение напряженности призабойной части массива; б) изменение прочностных и упругих, свойств призабойной

части массива; в) дегазация призабойной части массива;

г) провоцирование небольших по силе динамических прояв­ лений горного давления.

С п о с о б б у р е н и я о п е р е ж а ю щ и х с к в а ж и н приме­ няют в качестве локальной меры предупреждения внезапных выбросов в подготовительных и очистных выработках. Он спо­ собствует как уменьшению напряженности, так и изменению механических свойств призабойной части массива и ее дега­ зации.

Скважины бурят перпендикулярно к забою выработки, пе­ ресекая ими зону повышенных напряжений. Вокруг скважин возникают области предельного напряженного состояния. Если скважины пробурены достаточно часто, эти области взаимно перекрываются, в результате чего призабойный массив рас­ трескивается, в той или иной степени разрушается. Одновре­ менно через скважины происходит интенсивная дегазация. Зона повышенной концентрации напряжений перемещается в глубь массива.

В ряде случаев, требующих более эффективной дегазации, наряду с опережающими бурят бортовые скважины, направлен­ ные в сторону стенок выработок. Эти скважины относительно мало изменяют напряженное состояние окружающего массива, но обеспечивают более интенсивное снижение давления газа, т. е. существенно активизируют процесс дегазации.

Следует подчеркнуть, что в отличие от региональной дега­ зации, где роль диаметра скважин не имеет большого значения, в данном способе, чем больше диаметр скважин, тем больший достигается эффект. Обычно диаметр буримых скважин 80— 250 мм. Длина скважин не ограничивается, но в очистных за­ боях наиболее часто бурятся скважины длиной 15—20 м. Неснижаемое опережение 1и. 0 на момент бурения каждой серии скважин должно быть не менее 5 м. Расстояние между сква­ жинами не должно превышать двух радиусов эффективного влияния скважин (радиусов разгружающего и дегазирующего действия) # эф. Под радиусом эффективного влияния опережаю­ щей скважины понимают расстояние от нее до наиболее уда­ ленного шпура, скорость газовыделения из которого увеличи­ лась по трем измерениям не менее чем на 10 % по сравнению с последним значением скорости газовыделения до ее увеличе­ ния. Величина # Эф определяется опытным путем.

Эффект опережающих скважин во многом зависит от того, в каких пачках пласта они пробурены: чем опаснее по внезап­ ным выбросам пачки пласта, тем выше эффект опережающих скважин. Однако для повышения безопасности работ иногда

располагаются в наиболее опасных пачках. При бурении сква­ жин применяются как специальные станки, так и станки, ук­ репляемые на поворотной стреле проходческого комбайна. Уп­ равление бурением осуществляется дистанционно.

опережающей выемки, доводя сечение выработки до проектных размеров. При таком порядке взрывных работ резко снижается вероятность выбросов, а если они все же происходят, то имеют меньшую интенсивность.

Положительные результаты дает также выбуривание щели или же образование опережающего разгрузочного паза по кон­ туру проходимой выработки.

В последние годы для предотвращения внезапных выбросов угля и газа при проведении подготовительных выработок сме­ шанными забоями стали создавать разгрузочные щели и по­ лости во вмещающих породах. Выбуривание полостей произво­ дится обычно на расстоянии 0,5—0,6 м выше опасного пласта, высота полости принимается 0,15—0,20 м. При проведении под­ готовительных выработок смешанными забоями по выбросо­ опасным пластам с вмещающими породами крепостью до 6 вна­ чале производится выемка комбайном вмещающих пород с об­ разованием разгрузочной полости, а затем — выемка частично разгруженной и дегазированной призабойной зоны угольного пласта. Выемка породы ведется в направлении от кровли вы­ работки к угольному пласту. Неснижаемое опережение полости принимается равным 1 м, а выход полости за контур сечения штрека — 0,6 м. После образования разгрузочной полости про­ изводится контроль за эффективностью применения этого спо­ соба. Обычно процесс формирования безопасной зоны в приза­ бойной части угольного пласта в штреке подили над разгру­ зочной полостью наиболее интенсивно происходит в течение первых 30 мин и практически завершается через 3 ч. После под­ тверждения эффективности способа производится выемка угля и породы в сечении выработки на глубину, равную значению шага крепи или кратную этому значению. При глубине разгру­ зочной полости 2—3 м выемку угля и оставшегося между по­ лостью и угольным пластом слоя породы в пределах сечения

меняют при проходке выработок в условиях, опасных по гор­ ным ударам. Проходку ведут широким ходом с раскоской, ко­ торую заполняют породой и кострами. Ширину раскоски в каждую сторону принимают равной 3—6-кратной мощности отрабатываемого пласта или слоя.

Этот способ предусматривает не предотвращение горных ударов, а эффективную защиту людей и оборудования на слу­ чай горного удара. Создаваемая породная подушка гасит силу удара и предохраняет выработку от разрушения.

На рис. 155 в качестве примера приведена схема проходки и поддержания уклонов, рекомендованная для условий разра­

выброс происходит в момент, когда все горнорабочие выведены из шахты, а механизмы надежно защищены от возможных по­ вреждений. При этом выбором параметров, участка и времени производства сотрясательного взрыва можно в некоторой сте­ пени регулировать силу вызываемых горных ударов, не допу­ ская накопления больших количеств потенциальной энергии, т. е. вызывать горные удары относительно небольшой силы, ко­ торые не могут привести к серьезным нарушениям горных вы­ работок.

Камуфлетное и сотрясательное взрывание получило до­ вольно широкое применение в практике борьбы с горными уда­ рами как при ведении очистных работ, так и в подготовитель­ ных выработках. На рис. 156 представлены схемы приведения в неудароопасное состояние угольного пласта впереди очист­ ного забоя и впереди забоев подготовительных выработок, при­ меняемые в Кизеловском бассейне [37].

Камуфлетное взрывание довольно успешно используют для снижения удароопасности в глубоких южноафриканских золо­ тых рудниках Витватерсранда. В калийных шахтах ГДР ис­ пользуют сотрясательное взрывание как метод провоцирования выбросов малой мощности, приводящих к снижению действую­ щих напряжений в призабойных частях массива и предотвра­ щающих сильные выбросы. Широкое распространение полу­ чило камуфлетное и сотрясательное взрывание для борьбы с внезапными выбросами на шахтах Франции. Однако в по­ следние годы этот способ вытесняется другими, которые при­ знаются более эффективными и экономичными.

К недостаткам камуфлетного и сотрясательного взрывания как способа борьбы с внезапными выбросами пород и газа, ограничивающими целесообразность их применения, относят вывалы пород из кровли, образование значительных пустот от спровоцированных выбросов, опасность запоздалых выбросов, нарушение ритмичности горных работ, особенно нежелательное при ведении очистной выемки.

При проведении выработок в выбросоопасных песчаниках правильный выбор параметров буровзрывных работ способст­ вует уменьшению силы выбросов. В частности, при проведении горизонтальной или наклонной выработки по выбросоопасному песчанику забойные шпуры следует располагать только в нижней части проходимой выработки. В зарядах врубовых шпуров следует использовать электродетонаторы мгновенного действия.

Предложен ряд локальных гидравлических способов борьбы с горными ударами и внезапными выбросами. Наибольшего внимания из них заслуживают способы: низконапорного увлаж­ нения призабойной части массива, гидровымывания, гидрорых­ ления и гидроотжима.

Рис. 157. Зависимости от влажности основных механических характеристик угля Кизеловского бассейна.

для устранения как удароопасности, так и выбросоопасности. Существо способа состоит в следующем. При увлажнении гор­ ных пород изменяются их механические свойства: понижаются характеристики прочности, модуль упругости, и наоборот, по­ вышается способность к пластическим деформациям, возра­ стает значение коэффициента поперечных деформаций. В каче­ стве примера на рис. 157 приведены зависимости от влажности основных механических характеристик каменного угля Кизеловского бассейна. В результате изменения механических свойств повышается деформационная способность краевой ча­ сти массива и снижается способность к хрупкому разрушению. Происходит перераспределение напряжений с перемещением максимума опорных нагрузок в глубь массива, а в краевой ча­ сти напряжения уменьшаются.

Способ увлажнения, однако, оказывается эффективным лишь при условии обеспечения равномерности увлажнения массива, так как если отдельные участки приконтурного мас­ сива окажутся неувлажненными, то они могут воспринять до­ полнительные нагрузки и явиться очагами динамических про­ явлений.

вляется через передовую скважину, пробуренную по оси выра­ ботки, или через барьерные скважины, пробуренные по бокам выработки из специальных ниш. Скважины диаметром 45— 100 мм бурят по крепкой пачке угля и герметизируют цементнопесчаным раствором или сплошными герметизаторами. При диаметре скважин 45—60 мм глубина герметизации составляет не менее 5 м, при большем диаметре — не менее 10 м. Длина скважин определяется горнотехническими условиями, приме­ няемым оборудованием, организацией работ и диаметром сква­ жин. При диаметре скважин 45 мм их длина составляет 25— 80 м. Неснижаемое опережение увлажненной зоной забоя вы­ работки должно быть не менее 5 м. Давление нагнетания не должно превышать 0,75 уН, при этом во избежание гидрораз­ рыва пласта нагнетание воды в начальный период производится под минимальным давлением. Увлажнение считается эффек­ тивным, если влажность угля после нагнетания воды состав­ ляет не менее 5 %.

Способ увлажнения нередко применяют и в Донбассе при вскрытии выбросоопасных угольных пластов. Из забоя квер­ шлага, вскрывающего пласт, при подходе к пласту на расстоя­ нии не менее 2 м через породную пробку бурят комплект из 5—6 шпуров. В центре забоя бурят разгрузочно-дегазационную скважину. В шпурах (через один) устанавливают гидрозатворы и затем нагнетают в режиме гидрорыхления воду до тех пор, пока она не появится в разгрузочной скважине и сосед­ них шпурах. Нагнетание считается эффективным, если давле­ ние газа в контрольных шпурах, пересекающих пласт на рас­ стоянии 4 м за контуром квершлага, снизится до менее 10 кгс/см2.

При ведении очистных работ применяют различные схемы увлажнения, предусматривающие бурение увлажнительных скважин параллельно очистному забою, перпендикулярно к нему, либо комбинированные схемы. Схема бурения парал­ лельно очистному забою позволяет проводить работы по ув­ лажнению независимо от добычных работ в забое. Схема же бурения скважин перпендикулярно к забою обеспечивает боль­ шую равномерность увлажнения.

С п о с о б г и д р о в ы м ы в а н и я применяют как средство предотвращения внезапных выбросов при вскрытии крутых пластов, содержащих мягкие пачки угля с коэффициентом кре­ пости менее I, и при проведении подготовительных выработок в выбросоопасных пластах, в которых имеются пачки нарушен­ ного угля с коэффициентом крепости не более 0,6. Вскрытие крутых пластов с помощью гидровымывания впереди забоя квершлага рассмотрено в начале настоящей главы. Приведем еще один эффективный способ гидровымывания при вскрытии крутых пластов. Из полевого и группового штреков на выбро-

Г и д р о р ы х л е н и е представляет собой гидравлическую об­ работку призабойной части угольного пласта путем нагнетания в него воды под давлением (0,75-^2)у#, в результате которого нарушается целостность призабойной зоны, изменяется на­ пряженно-деформированное состояние опасного пласта, увели­ чивается его газопроницаемость. При нагнетании воды в ре­ жиме гидрорыхления в пласте раскрываются существующие природные и эксплуатационные трещины и образуются новые трещины, благодаря чему происходит ускорение процесса де­ газации, перемещение максимума опорного давления в глубь массива, снижение уровня потенциальной энергии в призабой­ ной зоне и, как следствие, устранение условий возможности возникновения выбросоопасных ситуаций.

Гидрорыхление осуществляется через скважины длиной 6— И м и диаметром не более 80 мм. Герметизация скважин про­ изводится на глубину 4—8 м. Объем закачки составляет не ме­ нее 20 л/т обрабатываемого угля в массиве. Неснижаемое опе­ режение принимается равным длине фильтрующей части сква­ жины, т. е. 2—3 м. После подачи в скважину расчетного количества воды, снижения давления в высоконапорном трубо­ проводе не менее чем на 30 % от установившегося при нагне­ тании и появления воды на плоскости забоя гидрорыхление считается завершенным.

С п о с о б г и д р о о т ж и м а применяют для борьбы с вне­ запными выбросами угля и газа при прочных углях в условиях высокой напряженности массива и очень низкой газопроницае­ мости. Он осуществляется нагнетанием воды в пласт под вы­ соким давлением, вызывающим искусственное разрушение га­ зоносного угольного массива и разгрузку призабойной зоны от повышенных напряжений. При этом происходит перераспреде­ ление горного давления (максимум концентрации напряжений перемещается от забоя в глубь угольного массива), снижение несущей способности угля в зоне отжима, уменьшение давле­ ния метана в призабойной части массива.

Глубина герметизации шпуров 1Г для гидроотжима на мощ­ ных пластах принимается равной 3—3,5 м, а на пластах тон­ ких и средней мощности она вычисляется из выражений:

где 5 — площадь угольного забоя, м2; Р — периметр угольного забоя, м; т — мощность пласта, м.