Технологія розкриття викидонебезпечних вугільних пластів прохідницькими комбайнами виборчої дії

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Міністерство вугільної промисловості

Відділення фізико-технічних гірничих проблем Донецького фізико-технічного інституту ім. О.О. Галкіна

УДК 622.232.76

05.15.02. - Підземна розробка родовищ корисних копалин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Технологія розкриття викидонебезпечних вугільних пластів прохідницькими комбайнами виборчої дії

Никитюк Микола Георгійович

Донецьк-2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному Макіївському науково-дослідному інституті з безпеки робіт в гірничій промисловості Мінвуглепрому України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, директор Державного Макіївського науково-дослідного інституту з безпеки робіт в гірничій промисловості Мінвуглепрому України (м. Макіївка) Бобров А.І.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, доцент, провідний науковий співробітник відділу фізики гірничих порід Відділення фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАНУ та Мінвуглепрому України (м. Донецьк) Антипов І.В.

- кандидат технічних наук, науковий співробітник Інституту геотехнічної механіки НАН України, (м. Дніпропетровськ) Гаврилов В.І.

Провідна установа - Донецький державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, м. Донецьк

Захист відбудеться "22" червня 2000 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої ради К 11.184.02 у Відділенні фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАНУ та Мінвуглепрому України за адресою: 83114, вул. Р.Люксембург, 72.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Відділення ФТГП ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАНУ та Мінвуглепрому України за адресою: 83114, вул. Р.Люксембург, 72.

Автореферат розісланий "18" травня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої ради, канд. техн. наук Є.І.Піталенко

Анотації

Никитюк Н.Г. Технологія розкриття викидонебезпечних вугільних пластів прохідницькими комбайнами виборчої дії. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.02 - підземна розробка родовищ корисних копалин. - Відділення фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАНУ та Мінвуглепрому України, Донецьк, 2000.

Дисертаційна робота містить рішення актуальної проблеми - розкриття викидонебезпечних вугільних пластів прохідницькими комбайнами, які не забезпечені системою дистанційного управління з безпечної відстані.

На основі досліджень напружено-деформованого стану гірничого масиву отримане диференціальне рівняння для моделювання процесів, що відбуваються в привибійній частині пласта при переміщенні всередину масиву утвореної виконавчим органом комбайна поверхні відторгнення. Моделювання дозволило уточнити природу ефекту зниження частоти й інтенсивності викиду при виїмці вугілля прохідницькими комбайнами. Встановлено закономірності виникнення викидів вугілля і газу при розкритті пластів на шахтах Донбасу. Визначено показники, що забезпечують можливість безпечного перебування працюючих у виробках, що розкривають, поблизу комбайнів. Встановлено особливості прояву і контролю ефективності релаксації напружень у вугільному масиві при наближенні до пласта виробки, що розкриває.

У результаті аналітичних і експериментальних досліджень визначені область застосування, параметри і технологія виконання способу розкриття. Складені й узгоджені нормативні документи з застосування способу на шахтах Донбасу.

Ключові слова: розкриття, дистанційне управління, виробка, комбайн, викид, енергія, свердловина, час розвантаження, моделювання, безпечна відстань, тиск газу, релаксація напружень, контроль ефективності.

Nikituk N.G. Process engineering of opening danger outburst of coal seam tunneller's combines of a selective operation - Manuscript.

The thesis submitted for a candidate of technical science degree in the field 05.15.02. - underground development of deposits of minerals. - The Department of Physico-Technical mining problems DonPTI by name A.A. Galkin, Ukrainian National Academy of sciences, Donetsk, 2000.

The thesis contains a solution of an actual problem - opening danger outburst of coal seam tunneller's combines which have been not supplied with a system of remote control.

Because of researches of the strained-deformed condition of a mining array the differential equation for modelling of processes happening in pit-face of a part of a seam at transition deep into of an array formed executive organ of a combine, of a formed by the executive is obtained organ, The modelling has allowed to specify a nature of effect of a drop of frequency and intensity of an ejection at a collection coal seam tunneller's combines. The regularities of origin of ejections coal seam and gas are established at opening seam on mines of Donbass. The indexes ensuring a possibility of a safe determination working in opening developments near to combines, working in the opening of developments, are defined also of monitoring of effectiveness of a relaxation of voltages in a coal array at an approximation to a seam of opening development.

In an outcome analytical and experimental researches the parameters and process engineering of realization of a mode of opening are defined area of application. Are composed and the normative documents on application of a mode on mines of Donbass are coordinated.

Key words: opening, remote control, development, combine, ejection, energy, slit, time of a unloading, safe distance, pressure of gas, relaxation of strain, monitoring of effectiveness.

Никитюк Н.Г. Технология вскрытия выбросоопасных угольных пластов проходческими комбайнами избирательного действия. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.02 - подземная разработка месторождений полезных ископаемых. - Отделение физико-технических горных проблем ДонФТИ им. А.А. Галкина НАНУ и Минуглепрома Украины, Донецк, 2000 г.

Диссертационная работа содержит решение актуальной проблемы -вскрытие выбросоопасных угольных пластов проходческими комбайнами, не обеспеченными системой дистанционного управления с безопасного расстояния. Действующие нормативные документы не допускают применение таких комбайнов при подходе вскрывающих выработок к пластам, различной категории опасности по выбросам. В то же время работы по созданию дистанционно управляемых проходческих комбайнов с 1991 г. не проводятся.

На основе исследований напряжённо-деформированного состояния горного массива получено дифференциальное уравнение для моделирования процессов, происходящих в призабойной части пласта при перемещении вглубь массива образуемой исполнительным органом комбайна поверхности отторжения. Моделирование позволило уточнить природу эффекта снижения частоты и интенсивности выброса при выемке угля проходческими комбайнами, а также выявить горно-геологические условия, в которых проявление выбросоопасности при работе проходческих комбайнов происходит идентично взрывной отбойке угля. Эти условия подтверждаются опытом использования проходческих комбайнов на выбросоопасных пластах и результатами многолетних исследований МакНИИ по выявлению опасных геологических структур. Установлены закономерности возникновения выбросов угля и газа при вскрытии пластов на шахтах Донбасса, которые позволили определить горно-геологические условия безопасного применения проходческих комбайнов. В результате исследования особенностей проявления выбросоопасности при подходе выработок к пластам определена безопасная величина породной толщи, т. е. минимальное расстояние, на которое возможно приближение к пласту забоя вскрывающей выработки комбайновой технологии проходки.

Аналитическим методом получены зависимости и системы неравенств, позволяющие уточнить особенности процесса релаксации напряжений в угольном массиве по мере приближения выработки к пласту в конкретных горно-геологических и горнотехнических условиях вскрытия, физический смысл и величину безопасного уровня давления газа в пласте для контроля эффективности процесса релаксации напряжений, а также определить безопасную скорость внедрения исполнительного органа комбайна в породную толщу при обнажении пласта и показатели, обеспечивающие возможность безопасного нахождения работающих во вскрывающей выработке вблизи комбайна при выемке горной массы.

На численной (компьютерной) модели с целью контроля эффективности релаксации напряжений в пласте решена задача по определению оптимального количества замерных скважин и их расположения по периметру выработки, в месте обнажения пласта для надёжного пересечения хотя бы одной из скважин локальной выбросоопасной зоны.

Экспериментальная проверка полученных аналитических зависимостей осуществлялась по данным шахтных инструментальных наблюдений за смещениями массивов при взрывной отбойке, сопровождающейся выбросами, и деформациями шпуров в пластах при подвигании забоев вскрывающих выработок. Кроме того, проверка зависимостей проведена по наблюдениям за проявлениями газодинамической активности выбросоопасных угольных массивов при бурении в них скважин с различной скоростью и механизированном вскрытии пластов буровыми установками типа "Стрела". вугілля комбайн пласт викидонебезпечний

На основании аналитических и экспериментальных исследований определены область применения, параметры и технология выполнения способа вскрытия угольных пластов, опасных по внезапным выбросам, проходческими комбайнами избирательного действия, обеспечивающие повышение безопасности и экономической эффективности проходки выработок на выбросоопасных пластах. Осуществлены вскрытия выбросоопасных пластов с применением серийно выпускаемых проходческих комбайнов избирательного действия. Составлены и согласованы с Центральной комиссией по борьбе с газодинамическими явлениями нормативные документы по применению способа на шахтах Донбасса.

Ключевые слова: вскрытие, дистанционное управление, выработка, комбайн, выброс, энергия, скважина, время разгрузки, моделирование, безопасное расстояние, давление газа, релаксация напряжений, контроль эффективности.

Вступ

Актуальність теми дисертації. При буропідривній відбійці вугілля в порівнянні з механізованою його виїмкою зростають майже на порядок частота й інтенсивність викидів. Діючі нормативні документи з безпеки надають можливість відмовитися від застосування вибухових робіт при розкритті викидонебезпечних пластів тільки за умови використання прохідницьких комбайнів із дистанційним управлінням, яке здійснюється із відстані 100-600 м від вибою виробки в залежності від гірничо-геологічних умов. Таких комбайнів немає і роботи з їхнього створення припинені у 1991 р. Тим часом в останні роки на шахтах Донбасу постійно збільшується кількість прохідницьких комбайнів, які застосовуються в умовах пологих і похилих пластів різної категорії небезпеки з викидів. Сформоване становище є не випадковим, оскільки досвід роботи шахт ім. Засядько і "Краснолиманська" показав, що на викидонебезпечних пластах прохідницькі комбайни в порівнянні з буропідривною технологією забезпечують більш високі темпи проходки виробок. Проте використання їх на дільницях розкриття довжиною 80-120 м неможливо, оскільки через відсутность дистанційного управління виникає якісно нова ситуація. Працюючі при виїмці вугілля змушені знаходитися поблизу комбайна і їхнє розміщення не може служити основним елементом безпеки, як це має місце при режимі струсного підривання або як намічалося при використанні дистанційно керованих комбайнів. Тому комплекс досліджень, що дозволяє встановити область застосування і параметри способу розкриття вугільних пластів, які небезпечні з раптових викидах вугілля і газу, прохідницькими комбайнами виборчої дії, що серійно випускаються, є актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дисертаційна робота базується на результатах виконання у 1992-1996 р.р. науково-дослідної програми Мінвуглепрому України №1719U201000 з розробки способів і технічних засобів прогнозу і боротьби з раптовими викидами вугілля, породи і газу (№ держ. реєстрації є UAO.1003209P, 1910U015213), і досліджень, які виконані у 1997-1999 р.р. з особистою участю автора у роботах 1792047200 і 1792047370 темплану МакНДІ в рамках договору з ДХК "Макіїввугілля".

Метою роботи є обґрунтування області застосування і параметрів способу розкриття пластів, що небезпечні з раптових викидів вугілля і газу, прохідницькими комбайнами виборчої дії, який призначений для підвищення безпеки і техніко-економічних показників проходки підготовчих виробок.

Ідея роботи полягає у використанні особливостей впливу на працюючих небезпечних факторів викидів вугілля і газу, а також закономірностей вивільнення енергії масиву і прояву геомеханічних процесів при утворенні поверхні відторгнення у привибійній частині пласта.

Методи дослідження. У дисертації використаний комплексний метод, що включає до себе: аналіз і узагальнення виконаних раніше досліджень; аналітичні і шахтні методи досліджень процесів, що відбуваються в привибійній частині масиву при його руйнуванні; методи теорії ймовірності, чисельного моделювання випадкових процесів із використанням ПЕОМ і статистичної обробки результатів досліджень.

Основні наукові положення, які винесено на захист, їх новизна:

1. Встановлено, що при різкій неоднорідності структури пласта з міцністних властивостей навіть у випадку його розкриття прохідницьким комбайном можливе швидке протікаючи розвантаження привибійної частини пласта, що може привести до раптового викиду.

2. Встановлено, що основними показниками, які визначають можливість перебування працюючих біля комбайна, є максимально можлива дальність відкиду вугілля при викидах, що розраховується для конкретних умов розкриття, та дані контролю ефективності релаксації напружень у вугільному масиві після наближення вибою до пласта на величину безпечної породної товщі (0,5 м).

3. Обґрунтовані область застосування та технологічні параметри способу розкриття пологих вугільних пластів прохідницькими комбайнами виборчої дії, які не забезпечені системою дистанційного управління.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій, що приведені у дисертаційній роботі, підтверджується:

задовільною збіжністю результатів аналітичних досліджень часу розвантаження привибійної частини пласта, швидкості упровадження виконавчого органа комбайна при оголенні пласта, умов релаксації напружень у вугільному масиві і показників контролю ефективності релаксації напружень із шахтними інструментальними спостереженнями за зміщенням масиву при вибуховій відбійці, проявом газодинамічної активності при бурінні свердловин у вугільному масиві з різною швидкістю і розкритті пластів буровими установками типу "Стріла", а також за зміною напруженого стану пластів при підході виробок, що розкривають; збігом умов прояву викидонебезпечності при розкритті пластів із закономірностями вивільнення енергії вугільного масиву при утворенні поверхні відторгнення; використанням фундаментальних положень теорії ймовірності, суцільного середовища, фізики руйнування твердого тіла і математичної статистики.

Наукове значення роботи полягає у:

одержанні диференціального рівняння для моделювання різних гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов процесів, що відбуваються в привибійній частині пласта при упровадженні виконавчого органа комбайна;

установленні закономірностей прояву викидонебезпечності при розкритті пластів і уточненні фізичного змісту прийнятого в якості безпечного рівня тиску газу у пласті;

одержанні аналітичних залежностей для оцінки максимально можливої дальності відкиду вугілля при викидах у конкретних гірничо-геологічних і гірничотехнічних умовах розкриття.

Практичне значення роботи полягає у:

визначенні області застосування і параметрів способу розкриття вугільних пластів, які небезпечні з раптових викидів вугілля і газу, прохідницькими комбайнами виборчої дії, що серійно випускаються;

розробці методики з визначення максимально можливої дальності відкиду вугілля при викидах у конкретних гірничо-геологічних і гірничотехнічних умовах комбайнової технології проходки виробки;

уявленні можливості в умовах комбайнової технології проходки виробки відмовитися від застосування на дільниці розкриття буропідривних робіт, що забезпечує підвищення безпеки і техніко-економічних показників проходки.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи. Основні положення і результати роботи включені в "Посібник із застосування на шахтах Донбасу способу розкриття вугільних пластів, які небезпечні з раптових викидів вугілля і газу, прохідницькими комбайнами, що серійно випускаються", що узгоджений Центральною комісією з боротьби з газодинамічними явищами в шахтах вугільної промисловості України, і використані при розкритті викидонебезпечних пластів на шахтах ім. Кірова і "Чайкіно" ДХК "Макіїввугілля", "Комсомолець Донбасу", "Комуніст" і ін. Економічний ефект від використання розробленого способу складає 11 000-62 900 грн. на одне розкриття в залежності від гірничо-геологічних умов.

Апробація роботи. Основні положення і результати роботи докладалися і обговорювалися на міжнародній науково-практичній конференції "XXI сторіччя - проблеми і перспективи освоєння родовищ корисних копалин" (Дніпропетровськ, 1998 р.), на науково-технічній конференції "Проблеми аерології гірничодобувних підприємств" (Дніпропетровськ, 1999 р.), на Центральній комісії з боротьби з газодинамічними явищами на шахтах вугільної промисловості України (Донецьк, 1999 р.) і на гірничій секції Вченої ради МакНДІ (Макіївка, 1998 р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 8 наукових праць.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів і висновків, які викладені на 145 сторінках машинописного тексту, містить 36 рисунків, 15 таблиць, перелік посилань із 82 найменувань і 5 додатків.

Основний зміст роботи

Значний внесок у дослідження механізму і природи викидів вугілля і газу внесли І.В. Бобров, І.М. Печук, Л.І. Биков, В.В. Ходот, В.А. Шатилов, А.Д. Алєксєєв, В.Є. Забігайло, В.І. Ніколін, Р.Л. Салганик, А.Є. Ольховиченко, А.М. Зорін, К.К. Софійський і ін. Результатом їхніх робіт є досягнутий рівень знань, що дозволив створити застосовуваний у даний час комплекс заходів для безпеки робіт на викидонебезпечних пластах і забезпечити можливість розробки нових технологічних рішень. Особливе місце в названому комплексі виділено безпечному розкриттю вугільних пластів. Проте на різних етапах робіт із пересічення пластів із застосуванням режиму струсного підривання викиди вугілля і газу продовжують відбуватися і за станом на 1.01.1999 р. на шахтах Донбасу у виробки, що розкривають, викинуто 121 213 т вугілля.

Досвід відробки викидонебезпечних пластів показує, що для зміни положення, що створилося, необхідно застосувати механізований (комбайновий) спосіб розкриття. Виконаний у розділі 1 (Стан питання і задача досліджень) аналіз проведених раніше досліджень показав, що при розробці механізованого способу розкриття викидонебезпечних пластів питання усунення викидонебезпечності при упровадженні виконавчого органа комбайна в пласт, безпечного перебування працюючих поблизу комбайна при виїмці гірничої маси і релаксації напружень у вугільному масиві при наближенні вибою виробки, що розкриває, до пласта в умовах небезпечних значень показників викидонебезпечності не розглядалися через орієнтацію на використання комбайнів із дистанційним управлінням і нормативних способів запобігання викидам при розкритті. Останні на пологих пластах не застосовуються через їх не технологічність і високу трудомісткість. У той же час досвід використання прохідницьких комбайнів у підготовчих виробках показує, що незважаючи на невеликий обсяг і припустимі умови застосування, без особливо небезпечних шахтопластів, із 1972 р. при роботі прохідницьких комбайнів в умовах відсутності або неефективності противикидних заходів зареєстровано 29 викидів вугілля і газу інтенсивністю до 500 т. Оскільки при викидах відбувається крихке руйнування вугільного масиву, то можливість цого руйнування визначається не загальним рівнем потенційної енергії (U0) пружних деформацій масиву, що вивільнюється в результаті переходу його в стан стійкої рівноваги при розвантаженні з боку знову утвореної поверхні відторгнення, а тією її частиною (Uм), що вивільняється миттєво. Відомо, якщо T1/TЈ1, то Uм/U0=1, у випадку T1/Tі1, те 0ЈUм/U0Ј1, а для умов маломіцного вугілля (0,8 МПа) при T1/TЈ10 Uм/U0®0 (де Т и Т 1- проміжки часу, що відповідають короткочасному розвантаженню пласта і фактичному часу його розвантаження з боку утвореної в ньому при виїмці вугілля поверхні відторгнення, с). З збільшенням міцності вугілля відношення T1/T, при якому Uм/U0®0, зменшується. Прийнято, що розмір Т дорівнює напівперіоду вільних коливань, що виникають у масиві при знятті напружень, і в умовах обмеженої поверхні відторгнення і нескінченної напівплощини поширення вільних (пружних) коливань усередину масиву, який поданий породами, що рівноміцні газо-насиченому вугіллю, Тmax=0,5.

При вибухових роботах інструментально установлений фактичний час розвантаження (T1) масиву з боку свіжеоголеної поверхні відторгнення в пласті на глибині 1,6-1,8 м, що дорівнює 0,06-0,08 с. Оскільки T1/Tmax<1, то миттєво вивільняється вся накопичена енергія і створюються сприятливі умови для виникнення викидів вугілля і газу. При упровадженні виконавчого органа комбайна в масив із максимальною швидкістю (0,08 м/с) на глибину 0,5-1,0 м час розвантаження пласта складає 6,2-12,5 с, що більш ніж на порядок перевищує Tmax=0,5 с. Оскільки T1/T>10, розвантаження масиву носить тривалий характер, при якому повинен виключатися прояв викидонебезпечності. Проте практика робіт це положення не підтверджує. Отже, час T1 визначається не тільки швидкістю упровадження виконавчого органа комбайна, але і процесами, які протікають у вугільному масиві, що примикає до свіжооголеної поверхні відторгнення. На підставі викладеного в роботі були поставлені і вирішені такі задачі:

досліджувані умови виникнення викидів вугілля і газу при роботі прохідницьких комбайнів виборчої дії;

вивчені особливості прояву викидонебезпечності при розкритті пологих і похилих пластів на шахтах Донбасу;

обгрунтована можливість усунення викидонебезпечності при оголенні комбайном пласта, що розкривається;

установлені показники, що забезпечують безпечне перебування працюючих поблизу комбайна при виїмці гірничої маси;

визначені область застосування і параметри способу розкриття викидонебезпечних пластів прохідницькими комбайнами виборчої дії.

Для моделювання процесів, що відбуваються в масиві при упровадженні виконавчого органа комбайна у розділі 2 (Досліджувати умови виникнення викидів вугілля і газу при роботі прохідницьких комбайнів) на підставі використання геомеханічної моделі формування зони опорного тиску попереду вибою виробки за К.А. Ардашевим для пласта, що горизонтально залягає, отримане диференціальне рівняння

 (1)

де V - швидкість переміщення всередину масиву поверхні відторгнення, що утвориться знову, м/с; l - коефіцієнт бокового розпору вугілля в умовах масиву; П, S - відповідно периметр і площа знову утвореної поверхні відторгнення, м і м 2; sz - вертикальна складова геостатичного поля напружєень у масиві, МПа; r, tc - відповідно кут внутрішнього тертя вугілля і міцність вугілля на зсув у зоні віджиму, град. та МПа; t - час розвантаження пласта з боку поверхні, що переміщається всередину масиву відторгнення при виїмці вугілля, с;

k=sz ср/sz

- коефіцієнт, що відображає зміну напружень у зоні віджиму; sz ср - середня величина вертикальної складової напружень у зоні віджиму, МПа.

У результаті рішення цього рівняння встановлено, що в умовах однорідного з міцністних властивостей пласта зі збільшенням гірничого тиску (sz) і зменшенням швидкості впровадження в масив виконавчого органа комбайна (V1), міцності вугілля (sп) і несучої спроможності пласта на крайці вибою (N) час розвантаження (Т 1) поверхні, що утвориться знову на глибині вугільного масиву з боку виїмки, відторгнення зростає. Тому сприятливі умови для застосування комбайнів мають місце при збільшенні глибини робіт, а також при фіксованій, постійній швидкості упровадження виконавчого органа в умовах міцності вугілля, що зменшується. Так як при застосовуваних швидкостях упровадження (0,05-0,07 м/с) виконавчого органа комбайна в масив із міцністю вугілля 4-6 МПа в усіх випадках Т 1 перевищує Тmax=0,5 с, не менше ніж на два порядки, то розвантаження пласта носить тривалий характер. Проте в зонах геологічних порушень, через збільшення кута падіння пласта і швидкості упровадження виконавчого органа комбайна зі зменшенням міцності вугілля, перевищення Т 1 щодо Тmax зменшується і складає менше одного порядку.

У неоднорідному за структурою пласті, зокрема при появленні прошарків порід із різною міцністю (sпор), час розвантаження пласта Т 1 наближається до Тmax=0,5 с.

Аналогічне положення має місце і при появленні в пласті препарованих пачок вугілля. Механізм прояву викидонебезпечності в цьому випадку полягає в такому. Перед вибоєм виробки 1, що розташовується уздовж осі Z, у вугільному масиві однорідного за структурою пласта 2 формуються зони зниженого і підвищеного рівня напружень щодо їхнього природного рівня, рівного gH. Якісний характер зміни цих рівнів напружень у привибійній частині вугільного масиву приведений на епюрі напружень 5. При цьому протяжність (L1) зони віджиму уздовж пласта 3 дорівнює

(2)

де п1, S1 - відповідно, розмір периметра і площа перерізу поверхні вибою уздовж пласта, м і мІ.

1) виробка; 2) вугільний пласт; 3) препарована пачка пласта; 4) контур порожнини, яка утворюється голівкою виконавчого органа комбайна; 5) епюра напружень у вугільному масиві при однорідній структурі пласта; 6) епюра напружень у вугільному масиві при появленні препарованої пачки вугілля в пласті; 7) область розвантаження пласта; gH- вертикальна складова геостатичного поля напружень на глибині H; N- несуча спроможність пласта на крайці вибою.

При впровадженні голівки виконавчого органа комбайна у вугільний масив утворюється порожнина 4. У результаті утворення цієї порожнини істотний перерозподіл напружень для усієї привибійної частини вугільного масиву не відбувається, оскільки відповідно до залежності (2) зона віджиму, що сформована перед вибоєм виробки з протяжності значно перевищує знову утворену зону віджиму попереду порожнини 4. Проте при появленні в пласті 2 препарованих пачок вугілля 3 ситуація змінюється. Оскільки при утворенні цієї пачки дегазація, а отже і зміцнення вугілля, не відбувалися, то зі зменшенням у них міцності вугілля на зсув (tс.п.) аж до нуля одночасно зменшується і кут внутрішнього тертя вугілля (rп). У результаті упровадження виконавчого органа комбайна в препаровану пачку й утворення в ній поверхні відторгнення з площею перерізу (S2) і периметром (П 2) попереду порожнини 4 формується нова зона віджиму, протяжність (L2) якої через rп ®0, tс.п® 0, lp®1, відповідно до залежності (2) значно перевищує (L1) зону віджиму в цілому для пласта. Тому в привибійній частині вугільного масиву формується нова епюра напружень 6 і утворюється область розвантаження вугільного пласта 7. Оскільки процеси утворення поверхні відторгнення виконавчим органом комбайна (швидкість обертання голівки 100 об./хв. і більш) і зони віджиму уздовж препарованої пачки вугілля носять миттєвий характер, стрибкоподібно відбувається розвантаження привибійної частини пласта в цілому при переміщенні епюри напружень із положення 5 у положення 6. При цьому виникають сприятливі умови для миттєвого вивільнення потенційної енергії пружних деформацій в аналізованій частині пласта й у випадку зменшення утвореною виробкою зони віджиму, що має місце при вході вибою у викидонебезпечну зону, виникає небезпека раптового викиду вугілля і газу.

У розділі 3 (Фізичні основи способу розкриття викидонебезпечних пластів прохідницькими комбайнами виборчої дії) розглянуті закономірності прояву викидонебезпечності при розкритті пластів, обгрунтований розмір безпечної породної товщі і зроблена оцінка можливості застосування нормативних противикидних заходів при комбайновому розкритті пластів, визначена безпечна швидкість упровадження виконавчого органа комбайна в породну товщу при оголенні пласта, встановлені показники, що забезпечують можливість перебування працюючих поблизу комбайна при виїмці вугілля, і приведені результати досліджень особливостей прояву і контролю ефективності процесу релаксації напружень попереду вибою виробки, що розкриває.

Статистичні показники викидонебезпечності при розкритті пластів такі, як максимальна і середня інтенсивності, математичне чекання інтенсивностей, діапазони зміни найбільш ймовірної інтенсивності викидів, кількість викидів і винесеного у виробки вугілля, приймають мінімальні значення в умовах пологих пластів. Зі зменшенням кута падіння пласта (?) при будь-якій міцності вугілля відношення величин енергії, що вивільнюється одиничним об'ємом масиву у розкриваючих (U1) і підготовчих (U2) виробках, також зменшується. Проте при низькій міцності вугілля, рівної 0,8-3,0 МПа, яка характерна для зон геологічних порушень, енергія вугільного масиву, що визволяється, у виробках, що розкривають, значно, у 2,9-7,8 разів перевищує цю енергію в підготовчих виробках тільки в умовах крутих і крутопохилих пластів (рис. 2).

Рисунок 2- Залежність відношень енергії, що вивільняється одиничним об'ємом вугільного масиву у розкриваючих виробках, до її величини у підготовчих виробках від кута падіння пласта при різній міцності вугілля.

У розкриваючих виробках пологих пластів, у найбільш викидонебезпечних умовах, наприклад, при дуже низькій міцності вугілля 0,6-0,8 МПа, це перевищення не істотно (менше 20%). Зміна рівня енергії, що вивільняється, зі зменшенням кута падіння пласта при різній міцності вугілля носить ідентичний характер зі змінами названих вище статистичних показників викидонебезпечності. При цьому на пологих пластах істотне вивільнення енергії вугільного масиву має місце тільки на дільницях із низькою міцністю вугілля (0,6-2,0 МПа), т.т. у зонах геологічних порушень. У нормальних умовах залягання пластів із міцністю вугілля 6-8 МПа викиди вугілля і газу при їхньому розкритті можуть мати місце тільки в умовах крутих і крутопохилих пластів. Отримані результати підтверджуються практикою робіт. Якщо в умовах крутих пластів максимальна інтенсивність викиду при розкритті склала 14000 т і у підготовчих виробках 1200 т, то на пологих пластах при розкритті -600 т, а в підготовчих - 2600 т. Оскільки в підготовчих виробках пологих пластів прохідницькі комбайни використовуються, то немає підстав для відмови від їхнього застосування при розкритті.

Одним із найбільш важливих параметрів способу розкриття є безпечний розмір породної товщі, т. т. мінімальна відстань на яку можливе наближення вибою виробки, що розкриває, до пласта без прояву викидонебезпечності. На підставі аналізу викидів при підході виробок до пластів і досвіду робіт із їхнього розкриття за умови усунення небезпеки оголення пласта в результаті перебору породи виконавчим органом комбайна зазначений розмір породної товщі прийнятий рівним 0,5 м.

Після підходу виробки до пласта на відстань 0,5 м важливе значення набуває швидкість упровадження голівки виконавчого органа комбайна в породну товщу, оскільки від її величини залежить час, а отже і характер розвантаження вугільного масиву, що примикає до поверхні відторгнення, яка утворюється при оголенні пласта. При цьому аналізована швидкість упровадження (V2) повинна бути обрана такою, при якій час розвантаження пласта (T1) у процесі його оголення голівкою виконавчого органа комбайна повинен перевищувати Tmax=0,5 с не менше чим на порядок. Для визначення безпечної швидкості впровадження голівки виконавчого органа комбайна в породи різної міцності на основі використання диференціального рівняння (1) отримана залежність

 (3)

де d - діаметр голівки виконавчого органа комбайна, м; tс.пор., Nпор., rпор.- відповідно міцність породи на зсув у зоні віджиму, несуча спроможність порід на крайці вибою і кут внутрішнього тертя порід, МПа, МПа і град.

Розрахунки виконані з залежності (3) показують, що відношення Т 1/Тmaxі10, при якому усувається викидонебезпечність, забезпечується при швидкості V2=0,0075-0,008 м/с (0,45-0,5 м/хв.) упровадження виконавчого органа комбайна в породи з міцністю sпір.Ј100 МПа. З зменшенням міцності порід і збільшенням глибини робіт безпечна швидкість упровадження голівки виконавчого органа комбайна в породи зростає.

При роботі прохідницьких комбайнів у підготовчих виробках після виконання способу запобігання викидам припускаються дистанційне вмикання і вимикання їх із відстані 30 м (Lдоп). Оскільки при розкритті пологих пластів способи запобігання викидам не застосовуються, то можливість перебування працюючих на зазначеній відстані визначається гірничо-геологічними умовами пласта, що розкривається комбайном, при яких максимально можлива дальність відкиду вугілля при викидах (Lmax) не перевищує Lдоп. Так як небезпека пораження є слідством двох незалежних подій - наявность викидів і знаходження робочого місця в зоні відкиду вугілля, то для визначення Lmax використовується максимально можлива інтенсивність викиду Qmax при виїмці вугілля комбайном, ймовірність P(Qmax) викиду з інтенсивністю Qmax, ймовірність P(DL) викиду на дільниці розкриття протяжністю DL, припустима ступінь ризику (ймовірність) P(Dt) пораження протягом року 10-6 і переріз виробки, а також враховуються особливості розміщення у виробці викинутого вугілля. При цьому для розрахунку Qmax на підставі застосування статистичного закону розподілу крайніх членів вибірок для викидів, що спостерігалися при роботі прохідницьких комбайнів, отримана залежність.

Виробка, що розкриває, у міру наближення до пласта сприяє активізації деформаційних процесів у вугільному масиві в результаті прогину під дією сил гірничого тиску товщі порід, що відокремлює вибій виробки від пласта. Математичний опис цих процесів на основі використання положень теорій прогину товстих плит і пружності мікронеоднорідних тіл дозволив встановити залежність між розміром породної товщі (h), при якому відбувається релаксація напружень у вугільному масиві, від відношення міцності породи s(пор) до міцності вугілля s(п) при різному літологічному складі порід.

З них випливає, що при розкритті тонких пластів із препарованими пачками вугілля або в зоні геологічних порушень, а також при дуже міцних бічних породах типу вапняків або пісковиків (sпор./sп>50), релаксація напружень у пласті не відбувається навіть при наближенні виробки на відстань менше 0,3 м до пласта, що визначає небезпеку викиду вугілля і газу. При не застосуванні способу запобігання викидам вибір гірничо-геологічних умов, у яких відбувається ефективна релаксація напружень у пласті після наближення до нього виробки на відстань 0,5 м, забезпечує безпеку робіт.

Для контролю ефективності релаксації напружень у вугільному масиві були проведені дослідження з визначення безпечного рівня тиску газу при розкритті викидонебезпечних пластів прохідницькими комбайнами. При цьому в якості визначального фактора руйнування вугільного масиву при викидах прийнята умова U1іЭу, відповідно до якої рівень енергії, що вивільняється (U1) при утворенні поверхні відторгнення в площині перпендикулярної нашаруванню, дорівнює або перевищує енергоємність (Эу) руйнування вугілля. Оскільки руйнування при викидах відбувається в умовах складного напруженого стану, для визначення енергоємності руйнування вугілля використовувалася енергетична теорія міцності. У результаті були отримані залежності для розрахунку мінімальних розмірів тиску газу (Pд.в) у викидонебезпечних зонах. В умовах викиду з мінімальною глибиною (130 м) у Донбасі, що стався на пласті k1 "Бураковка" (a=60°), Рд.в.=1,06 МПа. Отже, у невикидонебезпечних зонах у зазначених вище умовах Pд.н.<Pд.в. (де Pд.н. - тиск газу в невикидонебезпечній зоні), що відповідає прийнятому при розкритті пластів буропідривним способом безпечному рівню тиску газу (Pбез.) менше 1 МПа. На сучасних глибинах розробки (800-1200 м) вугільних пластів Pд.в./Pбез.=4,1-6,6.

Дискретність вимірів газового тиску у вугільному пласті, яка пов'язана з обмеженою (не більш 3) кількістю замірних свердловин при розкритті пластів у сполученні з локальним проявом викидонебезпечності може призвести до прямо протилежної її оцінки з усієї площі перерізу виробки. Тому виникнула необхідність у визначенні оптимальної кількості замірних свердловин, при якій забезпечується надійне їхнє влучення у викидонебезпечну зону. Шляхом статистичної обробки був установлений розподіл уздовж периметру виробки різних за шириною порожнин викидів, розміри яких приймалися рівними викидонебезпечним зонам. На основі використання методу чисельного моделювання при різних кількостях і розташуваннях зафіксованих на периметрі виробки замірних свердловин визначалася кількість улучень їх у викидонебезпечні зони в умовах змінюючихся ширини і розташування викидонебезпечних зон уздовж периметра виробки, у місці оголення пласта. Для здійснення моделювання і визначення можливостей хоча б одного влучення замірних свердловин у викидонебезпечну зону був розроблений алгоритм, відповідно до якого виконані розрахунки на ПЕОМ.

У розділі 4 (Розробка способу розкриття вугільних пластів, які небезпечні з раптових викидів вугілля і газу прохідницькими комбайнами виборчої дії) проаналізований з урахуванням локального характеру прояву викидонебезпечності досвід пересічення пластів з різною категорією небезпеки з викидів виробками з комбайновою технологією проходки, визначена область застосування, параметри і технологія виконання способу. З позиції активізації деформаційних процесів обгрунтовані такі параметри, як глибина виїмки за цикл проходки і швидкість посування виробки, а також параметри випереджаючої розвантажувальної щілини у бокових породах.

Висновок

У дисертації, що є закінченою науково-дослідною роботою, дане рішення нової науково-технічної задачі розкриття вугільних пластів, які небезпечні з раптових викидів вугілля і газу, прохідницькими комбайнами виборчої дії, що серійно випускаються, яка має важливе народногосподарське і соціальне значення для вугільних районів Донбасу, де здійснюється відробка пологих і похилих пластів.

Основні наукові і практичні результати роботи полягають:

1. Фізично обґрунтована і математично описана природа ефекту зниження частоти й інтенсивності викидів при механізованій проходці підготовчих виробок у вугільних пластах із використанням комбайнів виборчої дії. Виявлені гірничо-геологічні умови, у яких прояв викидонебезпечності в результаті упровадження виконавчого органа комбайна у вугільний масив відбувається ідентично вибуховій відбійці вугілля..

2. Визначено, що зниження частоти й інтенсивності викидів із зменшенням кута падіння пласта не носить випадковий характер, а обумовлено закономірностями вивільнення енергії вугільного масиву при розвантаженні привибійної частини пласта з боку свіжооголеної поверхні відторгнення. При розкритті пологих і похилих пластів викиди можуть мати місце тільки в зонах геологічних порушень, у той же час при пересіченні виробками крутих і крутопохилих пластів викиди відбуваються не тільки в зонах геологічних порушень, але й у нормальних умовах їхного залягання.

3. Встановлено, що безпечне перебування працюючих поблизу комбайна при виїмці вугілля забезпечується вибором гірничо-геологічних умов, у яких максимальна дальність відкиду вугілля (Lmax) при викидах не перевищує припустиму відстань (Lдоп.), на якій розташовується постачений засобами життєзабезпечення пульт дистанційного вмикання і вимикання комбайна.

4. Уточнені умови прояву релаксації напружень у вугільному масиві при підході до пласта виробки, що розкриває, у залежності від літологічного складу порід і товщини пласта. Подані у виді графіків залежності дозволяють завчасно визначити можливість релаксації напружень у пласті при безпечному розмірі породної товщі і необхідність активізації цього процесу шляхом утворення виконавчим органом комбайна випереджаючої розвантажувальної щілини у бокоих породах.

5. Встановлено, що прийнятий безпечний рівень тиску газу в пласті при його розкритті буропідривним способом відповідає умові, при якій рівень вивільненої енергії вугільним масивом при утворенні в ньому свіжооголеної поверхні відторгнення менший енергоємністі його руйнування на мінімальній глибині (130 м) прояву викидонебезпечності в Донбасі.

6. На основі застосування чисельного моделювання і теорії ймовірністей із використанням ПЕОМ встановлено, що в умовах пологого пласта надійне влучення замірних свердловин у викидонебезпечну зону досягається при двох свердловинах, що перетинають вугільний масив поблизу протилежних сторін виробки, що розкриває.

7. У результаті проведення досліджень створений спосіб розкриття вугільних пластів, які небезпечні з раптових викидів вугілля і газу, прохідницькими комбайнами виборчої дії, що серійно випускаються і не мають дистанційного управління.

Основні положення і результати дисертації опубліковані в роботах

1. Никитюк Н.Г. Особенности проявления выбросоопасности при применении проходческих комбайнов избирательного действия // Сборник научных трудов Национальной горной академии Украины. - Днепропетровск: - 1998. - №3, том 3. - С. 139-143.

2. Никитюк Н.Г. Проявления выбросоопасности при проходке выработок комбайнами избирательного действия // Уголь Украины. - 1999. - №1.- С. 10-12.

3. Бобров А.И., Фридман И.С., Никитюк Н.Г. Параметры способа вскрытия пологих выбросоопасных пластов выработками, проводимыми комбайном // Уголь Украины. - 1999. - №4. С. 34-38.

4. Бобров А.И., Фридман И.С., Никитюк Н.Г. Выбор параметров способа вскрытия выбросоопасных пластов проходческими комбайнами // Сборник научных трудов Национальной горной академии Украины, "Проблемы аэрологии горнодобывающих предприятий". - Днепропетровск: - 1999. - № 5 - С. 32-34.

5. Никитюк Н.Г. Область применения и параметры способа вскрытия выбросоопасных пластов серийно выпускаемыми проходческими комбайнами // Сборник научных трудов Национальной горной академии Украины, "Проблемы аэрологии горнодобывающих предприятий". - Днепропетровск: - 1999 - №5 - С. 51-54.

6. Бобров А.И., Фридман И.С., Никитюк Н.Г. Особенности применения проходческих комбайнов избирательного действия при вскрытии пологих выбросоопасных пластов // Уголь Украины. - 1999. - №8 . С. 35-38.

7. Бобров А.И., Фридман И.С., Никитюк Н.Г. Закономерности возникновения выбросов угля и газа при вскрытии пластов.// Сборник научных трудов МакНИИ "Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах".- Макеевка - Донбасс: - 1999. - С. 3-8.

8. И.С. Фридман, А.А. Рубинский, Н.Г. Никитюк Особенности проявления выбросоопасности при пересечении пологих и наклонных пластов Донбасса, // Сборник научных трудов МакНИИ "Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах".- Макеевка - Донбасс: - 2000. - С. 46-48.

Особистий внесок автора в роботи, опубліковані в співавторстві: [3]- визначив мінімальний розмір породної товщі і рівень максимальної швидкості упровадження виконавчого органа комбайна при оголенні пласта; [4]- уточнив умови і показники контролю ефективності процесу релаксації напружень у вугільному масиві; [6]- визначив область застосування способу з позиції урахування енергетичної активності пласта і вражаючого впливу небезпечних факторів викиду вугілля і газу; [7]- визначив взаємозв'язок показників викидонебезпечності з рівнем вивельненої енергії масиву; [8]- виконав аналіз гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов розкриттів пологих пластів.

Размещено на Allbest.ru