Основные положения методики комплексного управления геомеханическими и газодинамическими процессами угольных шахт

Ключевые слова: сдвижение, шахта, массив, обрушение, кровля, отработка, газодинамическое явление, пласт, давление, удар.

Эффективность и безопасность ведения подземных горных работ в значительной степени определяются продуманными и обоснованными техническими решениями, основанными на глубоком понимании геомеханических и газодинамических процессов, происходящих при подземной разработке угольных месторождений. Принятие той или иной технологической схемы и её параметров, порядок отработки месторождения, схема вскрытия и подготовки горизонтов приводят к соответствующему изменению состояния горного массива. В этой связи разработка методики комплексного управления геомеханическими и газодинамическими процессами на угольных шахтах является актуальной научной и практической задачей.

Основная идея проводимых исследований заключается в комплексном подходе к решению задач горного дела. Вопросы сдвижения, обрушения кровли, газодинамики, горного давления и горных ударов необходимо рассматривать в тесной причинно-следственной взаимосвязи, неразрывно друг от друга. Только на глубоком понимании геомеханических процессов, протекающих в массиве горных пород, могут быть основаны и приняты технические и технологические решения. Правильная организация горных работ, порядок отработки месторождения, принимаемая система разработки определяют дальнейшую эффективную и безопасную эксплуатацию месторождений.

Полученные научные и практические результаты проведенных авторами исследований могут быть положены в основу методики комплексного управления геомеханическими и газодинамическими процессами на шахтах [1].

1. Разработаны методика и алгоритм, которые позволяют определить значения первичного и последующих шагов обрушения на всю длину выемочного столба либо на какой-либо участок отработки лавы [1, 2]. Методика апробирована и получила практическое подтверждение на шахтах Карагандинского бассейна. На рисунке 1 представлено окно программы расчета шагов обрушения по лаве 53К7-ЮЗ шахты «Сокурская».

2. Установлено, что геомеханические и газодинамические явления, протекающие при ведении горных работ, имеют единую техногенную природу. Природные (мощность пласта, угол падения, мощность и прочностные характеристики пород кровли) и технологические (вынимаемая мощность пласта, длина лавы) параметры определяют величину первичных и последующих шагов обрушения. Обрушения основной кровли, в свою очередь, управляют интенсивностью газовыделения по мере подвигания лавы, максимумы которого предшествуют подходу лавы к точке обрушения и изменяют газовый режим в лаве и на участке. Закономерность, связывающая интенсивность газовыделения с приближением лавы к точке обрушения основной кровли, была исследована при отработке одиночной лавы 53К-7-ЮЗ в 1993 - 1995 годах.

3. В процессе исследований выполнена проверка достоверности прогнозов шагов обрушения и объемов газовыделения по лавам 64К-10В и 62К-10В на шахте «Саранская». По лаве 64К-10В в период с августа по октябрь 2008 г. произведен мониторинг фактических значений обрушений, который подтвердил предварительный прогноз [3]. Аналогичные расчеты выполнены также по другим шахтам Карагандинского бассейна: «Сокурская» (лава 53К-7-ЮЗ), «Абайская» (лава 32К-10-С), «Тентекская» (лава 183 Д6-С), им. Т. Кузембаева (лава 42-К10-З). Также выполнены расчеты шагов обрушения для ряда других угольных бассейнов России и Украины [1]. Исходные данные для расчетов почерпнуты из литературных источников и научных публикаций. Расхождения не превышают инженерной точности (в пределах 5-10 %) и связаны с недостаточной точностью исходных данных, таких как предел прочности на сжатие. Данные примеры свидетельствуют об универсальности разработанной методики и возможности её применения для других угольных бассейнов.

4. Старые или действующие выработанные пространства с замкнутыми куполами сдвижения служат техногенными резервуарами, где накапливаются миллионы кубических метров метана. В куполах в огромных количествах накапливается метан в чистом виде, как самый легкий газ рудничной атмосферы. Замкнутые купола формируются при условии, что сдвижение не дошло до поверхности. Такая ситуация возникает при наличии в кровле крепких пород-мостов и глубинах свыше 300 м. Созданные таким образом подземные резервуары газа представляют большую угрозу для безопасности горных работ.

Рисунок 1 - Окно программы расчета шагов обрушения по лаве 53К7-ЮЗ шахты «Сокурская»

5. Обрушение кровли сопровождается воздушным ударом, возмущением вентиляционных потоков, дополнительным выбросом порции газа из куполов помимо отжима из пласта, что приводит к резкому увеличению содержания газа в горных выработках вплоть до достижения взрывоопасной концентрации. Выбросы метана максимальной мощности происходят, когда в почве и кровле залегают крепкие слои пород, при этом возникает «поршневой» эффект с мгновенным выбросом метана в горные выработки при обрушениях. Если при отработке соседних участков в результате сдвижения массива произойдет разгерметизация или объединение «газовых коллекторов», то это прямой путь к катастрофе. Горные выработки будут моментально загазированы, и высока вероятность взрыва. Исследования формирования такого рода подземных резервуаров весьма актуальны, в первую очередь, с точки зрения безопасности горных работ. По нашему мнению, именно внезапные прорывы газа из «газовых коллекторов» являются одной из основных причин катастроф, происшедших за последнее десятилетие на шахтах Казахстана, России и Украины, которые унесли сотни человеческих жизней. С другой стороны, знание местоположения и динамики куполов сдвижения позволяет эффективно проводить дегазационные мероприятия с высокими показателями каптирования метана по скважинам и обеспечением безопасных условий дальнейшей эксплуатации месторождения.

6. При увеличении глубины разработки месторождений существенно увеличивается и радиус зоны влияния горных работ на перераспределение горного давления. В зависимости от конкретных горно-геологических условий радиус зоны влияния может существенно превышать размеры, регламентированные действующими нормативными документами и достигать 500 и более метров. Такого рода примеры известны в мировой практике и описаны в зарубежной литературе. Для условий Карагандинского бассейна этот факт установлен, в частности, при анализе случаев газодинамических явлений (ГДЯ) на шахте Тентекская, произошедших в 2008 и 2009 гг. Результаты построения границ зоны повышенного горного давления (ПГД) по пласту Д-6 от очистного пространства пласта Т-1 показывают, что действующие нормативные документы, в частности «Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля и газа» (Караганда, 1995) [4], требуют внесения соответствующих корректировок. Согласно данной «Инструкции …», размер зоны влияния очистной выработки ограничен как в кровлю, так и в почву и не превышает 176 м по нормали к пласту. В то же время, отраслевая «Инструкция…» (МУП СССР) 1977 г. [5] рекомендует принимать размеры зоны влияния очистной выработки 200 м в кровлю и 250 м в почву разрабатываемого пласта. На шахте Тентекская расстояние меду пластами Д-6 и Т-1 по нормали составляет 330 - 340 м. Выполненные исследования показали, что с углублением горных работ увеличивается и радиус зоны влияния очистного пространства, который достигает 350 - 500 метров.

7. Горные удары необходимо классифицировать на первичные и вторичные удары. Первичный горный удар представляет собой обрушение основной кровли, сопровождающееся внезапным выбросом огромной потенциальной энергии, накопившейся в вышележащем подработанном слое пород в результате его изгиба. Величина энергии зависит от мощности основной кровли и прочностных характеристик слагающих её пород. Чем больше мощность и выше прочность, тем большую потенциальную энергию способна накопить нависшая консоль кровли. При внезапном обрушении происходит динамическое воздействие на окружающий горный массив. От такого рода ударов, обладающих колоссальной энергией, происходят вторичные горные удары в различных ослабленных областях горного массива: разрушение нагруженных целиков и краевых участков угольного пласта в очистных и проходческих забоях. Кроме того, первичные удары часто инициируют внезапные выбросы угля и газа при подходе забоя к выбросоопасной зоне. Вторичные удары, как правило, происходят в зонах повышенной концентрации напряжений (зонах ПГД). Форма проявления вторичных горных ударов зависит от механических свойств горных пород (пучение для пластичных пород, динамический разлом почвы с повышенным газовыделением - для хрупких).

8. Высвобождающаяся механическая энергия распределяется и поглощается в окружающем горном массиве. Источниками энергии служат первичные горные удары и буровзрывные работы при проведении горных выработок. Прочные породы являются хорошими проводниками механической энергии, которая может передаваться на достаточно большие расстояния, а слабые породы поглощают энергию, претерпевая при этом структурные и физико-химические преобразования. Наиболее слабым звеном является угольный пласт, который разрушается при мощном механическом и энергетическом воздействии с выделением газа в свободном состоянии. Приблизительно 90% метана, содержащегося в угле в естественных условиях, находится в адсорбированном состоянии и может быстро выделиться из угля в результате энергетического воздействия на пласт. Таким образом, формируются выбросоопасные зоны, представляющие большую угрозу безопасности ведения горных работ. Первичным условием формирования выбросоопасных зон является наличие повышенного горного давления [6]. Для зарождения и возникновения выброса необходима некоторая минимальная глубина разработки, величина которой различна для разных месторождений. Как правило, внезапные выбросы происходят, начиная с глубины 250 и более метров. Внезапный выброс происходит при приближении забоя к выбросоопасной зоне на критическое расстояние и поступлении очередного внешнего энергетического импульса, который совместно с давлением газа разрушает породную «пробку».

9. Разработана модель процесса первичного (дискретного) сдвижения подработанного массива горных пород в виде обрушений основной кровли и методика расчета её параметров, которая апробирована на шахтах Карагандинского бассейна и соответствует фактическим данным, зафиксированным в маркшейдерской документации шахт. «Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях» (ВНИМИ, Недра, 1981) [7] не рассматривают развитие процесса сдвижения и влияние крепких мощных слоев песчаника в кровле пласта, сдвижение которых происходит дискретно в форме обрушений. Разработанная методика позволяет определить размеры выемочных участков, при которых процесс сдвижения остановится в массиве по достижении крепкого слоя песчаника и не дойдет до поверхности. Это позволит безопасно отрабатывать запасы под застроенными территориями и промышленными объектами. Кроме того, становится возможным определение параметров, при которых сдвижение достигает поверхности и происходит восстановление исходного (естественного) геостатического давления в массиве с исчезновением (сглаживанием) зон ПГД. При этом следует иметь в виду, что повышенная выбросоопасность в бывшей зоне повышенного горного давления сохраняется неограниченно длительное время и может проявиться спустя десятилетия.

10. Гидродинамическое воздействие на угольный пласт может способствовать образованию выбросоопасных зон в зонах влияния скважин нагнетательного гидрорасчленения пласта (НГРП). Практика применения скважин НГРП на шахте «Сокурская» показала, что применение гидрорасчленения пласта эффективно только в непосредственной близости от очистного забоя и должно рассматриваться в единой технологической схеме с добычей угля. На стадии предварительной дегазации, при обработке нетронутых угольных массивов этот метод имеет негативные последствия, приводит к образованию выбросоопасных зон и проблемам при дальнейшей отработке месторождения.

Таким образом, технические решения, связанные с выбором системы разработки и порядка отработки пластов, имеют определяющее значение для дальнейшего развития геомеханических процессов и газодинамической ситуации в шахте в течение всего периода эксплуатации. Поэтому они должны быть основаны на глубоком их понимании и нацелены на обеспечение безопасных условий труда шахтеров. Анализ результатов выполненных исследований позволил наметить целый ряд положений, направленных на повышение эффективности и безопасности ведения горных работ.

1) Отработку шахтного поля следует начинать с самого опасного и мощного угольного пласта. Так велась разработка на следующих шахтах Карагандинского бассейна: «Молодежная», «Степная», «Шахтинская», где отработка начиналась с наиболее опасного пласта Д-6, и в дальнейшем проблем с газодинамическими явлениями на указанных шахтах не было. При соблюдении данного условия самый опасный пласт находится в нетронутом массиве, на него не оказано негативное влияние предыдущих горных работ, отсутствуют техногенные выбросоопасные зоны и области ПГД.

2) Необходимо использовать сплошные бесцеликовые системы разработки, которые создают самые безопасные условия отработки других пластов угольной свиты. Идея состоит в создании площади очистной выемки и достижении полного сдвижения подработанного массива до земной поверхности c образованием нормальных к пласту секущих трещин по контуру отработанной площади, начиная с верхних горизонтов. При этом подработанный массив переходит в новое неупругое состояние с блочной структурой, восстанавливается исходное геостатическое давление, а по контуру выработанного пространства исчезают зоны ПГД. Происходит естественная дегазация массива, газ уходит в атмосферу через образовавшиеся трещины создаются безопасные условия для дальнейшего ведения горных работ. Наиболее характерно и показательно это на примере разработки поля шахты им. Костенко, где применялись в основном бесцеликовые системы и была создана площадь очистной выемки, обеспечившая дальнейшую безопасную отработку запасов. Другим весьма показательным и характерным в этом плане примером является отработка восточного крыла шахты «Сокурская», где в первую очередь была произведена выемка пласта К-12, а затем отработка нижележащих угольных пластов К-10 и К-7 велась в защищенной зоне.

3) Наиболее целесообразно и безопасно вести отработку свиты пластов по восходящей схеме «снизу - Вверх» с применением бесцеликовых систем с полной подработкой. Такая схема потребует более значительных капитальных затрат на стадии освоения месторождения, которые в дальнейшем многократно окупятся за счет создания безопасных условий труда, производительности очистных работ и резкого снижения затрат на ремонт и поддержание горных выработок. При восходящем порядке отработки угольных пластов складываются благоприятные условия для горного давления, которое постоянно будет уменьшаться, дегазации (газ уйдет вверх) и борьбы с водой (вода уходит вниз на отработанные горизонты).

4) Важнейшим принципом проектирования и безопасной отработки угольных пластов является уменьшение техногенного влияния (силового воздействия человека) на разрабатываемые угольные пласты свиты. И в первую очередь необходимо исключить ведение горных работ на БВР, особенно при проходке горных выработок, которое является и ранее было основным источником образования выбросоопасных зон. Сейчас это не только возможно, но и в обязательном порядке необходимо сделать. Применение гидрорасчленения пласта на стадии предварительной дегазации также может оказать весьма негативное воздействие на угольный пласт, привести к образованию выбросоопасных участков на больших территориях и даже привести к невозможности дальнейшей безопасной эксплуатации месторождения. Примером служит ситуация, возникшая на восточном крыле шахты «Сокурская» после реализации проекта заблаговременного гидрорачленения пласта К-10 скважинами НГРП с поверхности.

5) Неправильно принятые и утвержденные схемы разработки угольных пластов могут сыграть роковую роль. Так, на шахте «Сокурская» ПО «Карагандауголь» была предложена и внедрена схема отработки угольного пласта «через столб», которая была реализована на практике. При отработке столбов №№ 1, 3 и 5 в целике мощного пласта К-12 восточного блока проблем с добычей по верхнему и нижнему слою и поддержанием горных выработок не было. Зато они появились после, когда началась нарезка лав четного блока № 2, находящегося между ранее отработанными панелями № 1 и № 3 в зоне ПГД. Отработанные панели № 1 и № 3 с замкнутыми куполами сдвижения оказались заполненными «газовыми мешками», по границе которых вели проходку подготовительных горных выработок блока № 2. В момент окончания нарезных работ (после сбойки 5 вост. конвейерного штрека К-12 в 12 часов 20.02.1978 г.) произошло загазирование ранее пройденных выработок. Газ из выработанных пространств отработанных панелей № 1 и № 3 через трещины поступил в действующие горные выработки, где создались условия образования взрывоопасной концентрации метана [8]. В результате произошла катастрофа - взрыв метана, унесшая жизни 76 горняков.

6) Необходимо категорически исключить популярную ранее «концентрацию горных работ» - отработку сразу нескольких пластов на одном блоке шахтного поля, так как это ведет к возникновению крайне опасных ситуаций и ГДЯ, которые происходили, например, на шахтах им. Ленина и «Саранская» ПО «Карагандауголь».

7) С увеличением площади очистной выемки увеличивается объем купола обрушения. По вертикали купол ограничивается очередным крепким слоем породы-моста до его обрушения. При формировании куполов обрушения определяющую роль играют углы полных сдвижений. В результате полного сдвижения до поверхности весь объем над очистным пространством теряет свои природные упругие свойства и становится безопасным для дальнейшей отработки оставшихся угольных пластов свиты. Зона ПГД вокруг очистной выемки исчезает после того, как сдвижение дойдет до земной поверхности с образованием трещин. Так, на шахте «Сокурская» был пройден вентиляционный бремсберг 51а - К-10-В вприсечку к выработанному пространству. После отработки участка горная выработка была заперемычена и простояла более 10 лет. Затем она была вскрыта и извлечена вся металлокрепь. Состояние выработки было хорошим.

8) При выборе и назначении оптимальных параметров лав необходимо рассматривать разрез вкрест простирания угольного пласта (по падению) с целью определения объема купола обрушения. Основным показателем безопасности отработки лавы является прогноз объема метана, который зависит от размеров очистной выемки, геологического строения толщи массива, физико-механических свойств горных пород и их природной газообильности. Знание прогнозных данных отработки выемочного участка позволит еще на стадии проектирования заранее определить наиболее опасные места (точки обрушения и сопутствующие им объемы метановыделения), а также прогнозный объем метана в целом на данном выемочном поле.

9) Отработка выбросоопасных пластов требует обязательного проведения профилактических мероприятий. Следует иметь в виду, что бурение дегазационных скважин из подготовительного забоя также может инициировать выброс, так как скважины (особенно большого диаметра) ослабляют массив, а при бурении возникают динамические нагрузки. С одной стороны, дегазация пласта скважинами снижает давление газа, разгружает от напряжений массив - создается безопасная зона, разгруженная от напряжений и давления газа (при условии эффективной работы скважин). А с другой стороны - приближает к опасной зоне, т.е. уменьшает величину безопасного целика за счет ослабления массива из-за большого количества пробуренных скважин.

10) При подходе лавы к точке обрушения необходимо приостановить работы в проходческих забоях, находящихся в зоне влияния, особенно при подходе к опасным участкам, геологическим нарушениям, зонам ПГД.

Разработка единой теории данных процессов позволит прогнозировать и предотвращать горные удары и внезапные выбросы путем выявления опасных участков, правильной организации и планирования горных работ. Выполненные исследования могут оказаться полезными для обеспечения безопасных условий работы горных предприятий и предупредить катастрофы.

геомеханический газодинамический угольный месторождение

Список литературы

1. Долгоносов В.Н., Пак Г.А., Дрижд Н.А., Алиев С.Б., Низаметдинов Ф.К. Геомеханические и газодинамические процессы в угольных шахтах. Караганда: Изд-во КарГТУ, 2012. 214 с.

2. Пак Г.А., Дрижд Н.А., Долгоносов В.Н. Методика расчета шагов обрушения основной кровли и прогноз газовыделения на шахтах Карагандинского бассейна // Безопасность труда в промышленности. 2010. № 10. С. 31 - 34.

3. Шпаков П.С., Пак Г.А., Долгоносов В.Н. Взаимосвязь шагов обрушения основной кровли и интенсивности газовыделения на шахтах «Сокурская» и «Саранская» Карагандинского бассейна // Научно-технический и производственный журнал «Маркшейдерия и недропользование». 2009. № 6, С. 70 - 72.

4. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля и газа / Министерство энергетики и угольной промышленности РК. 1995. 92 с.

5. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, склонных к внезапным выбросам угля, породы и газа / МУП СССР. М.: Недра, 1977. 159 с.

6. Ходот В.В. Внезапные выбросы угля и газа. М.: Гос. науч.-техн. изд-во литературы по горному делу, 1961. 364 с.

7. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. М.: Недра, 1981. 288 с.

8. Обстоятельства и причины аварий, произошедших на шахтах Карагандинского угольного бассейна (1978-2004 гг.). Караганда: ЦНТИ, 2004.

Размещено на Allbest.ru