Целесообразность выемки угля выбросоопасных пластов в зонах отжима

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ВЫЕМКИ УГЛЯ ВЫБРОСООПАСНЫХ ПЛАСТОВ В ЗОНАХ ОТЖИМА

НИКОЛИН В.И., ПОДКОПАЕВ С.В., ХУДОЛЕЙ О.Г., КАПУСТИН А.А (ДонНТУ)

В статье рассмотрена целесообразность выемки угля выбросоопасных пластов в зонах отжима. Рассматривая реальный осадочный горный массив как трещиновато - пористое тело, на современных глубинах разработки чрезмерно значительная глубина зоны отжима может представлять опасность травматизма от обрушения пород кровли.

В соответствии с новым стандартом Минуглепрома Украины [1] вводится ранее известное, теперь уже нормативное определение отжима угля, что безусловно положительно. Характеризуется это явление и его признаки в стандарте следующим образом: «Быстропротекающее смещение угольного массива в выработку без отброса угля; образование полости, заполненной разрушенным крупнокусковатым углем, глубина которой меньше ее ширины; наличие пустот, зияющих трещин и щели между кровлей и пластом; относительное газовыделение меньше разности между природной и остаточной газоносностью выдавленного угля» [1].

Но, по-прежнему, многие годы остается «самодостаточным» понятие глубокие шахты. Опуская самые различные мнения самых различных уровней специалистов, предлагаем относить к глубоким шахтам только те из них, которые разрабатывают шахтопласты ниже зоны газового выветривания (ЗГВ) на 50 - 100 м в зависимости от принимаемого запаса [2,3]. В монографиях [2,3] убедительно доказано, что эта зона совершенно закономерно зависит от степени метаморфизма углей, т.е. от целого комплекса свойств его пластов и вмещающих их пород. Она в среднем по прямолинейной зависимости увеличивается от 100 м в зонах разработки антрацитов до 420 - 440 м в зонах разработки углей марки Д. Другие шахты относить к глубоким не следует и в том числе потому, что деформации генетического возврата (ДГВ), имеют место только ниже глубин зон газового выветривания [4,5,6,7].

К положениям о глубоких шахтах примыкает важнейшее положение о зоне отжима, которая является призабойной частью пласта, выемка угля в которой, как следует из стандарта Минуглепрома, исключает возникновение - зарождение выбросов угля и газа. На процесс отжима влияют множество факторов, основными из которых являются: свойства пласта угля - структура пласта и его прочностные характеристики; кливаж угля; мощность и угол падения пласта; боковые породы - непосредственная и основная кровля, почва пласта; спаянность пласта угля с боковыми породами; трещиноватость пород кровли; условия и глубина залегания пласта; сближенные пласты; водоносность вмещающих пород; площадь обнажения; взаимное расположение очистных забоев; способ управления кровлей; ширина рабочего пространства лавы и д.р.

Во многих статьях, монографиях приводились многочисленные сведения о травматизме, в том числе смертельном в угольной промышленности Украины, являющимся, к сожалению, одним из самых высоких в мире [4,8]. Обращалось внимание читателей, в том числе в публикациях последних лет, на то, что грубо «ошибки» можно разделить на две принципиальные разновидности:

ѕ нарушение правил безопасности (ПБ);

ѕ геолого-технологические, часто деликатно называемые «организационно - технологическими».

Почти 40 лет тому назад в [2] рассматривались вопросы прогнозирования выбросоопасности угольных пластов на глубинах более 1000 м. Уже тогда доказывалось, что разрушение горных пород в современных условиях следует связывать не столько с увеличением и концентрацией напряжений, сколько с наличием выемок - выработок, нарушающих естественное состояние пород, сохранявшееся в течение громадных промежутков времени. Физически реальны деформации обратной ползучести, позже названные генетическим возвратом (ДГВ).

Более тщательное и детальное изучение особенностей разрушения горных массивов на больших глубинах при разгрузке, учитывающее истории его формирования (память), содержится в [2,5,7,8].

Естественно, что описать особенности всего многообразия горных пород в массиве является нереальной задачей, поэтому остановимся лишь на особенностях формирования выбросоопасных массивов, сложенных углями и песчаниками.

Можно выделить три основные особенности формирования горных массивов: постепенное увеличение глубины залегания, приводящее к росту напряженности массива, его уплотнению; физико-химические превращения органического материала в условиях трехосного сжатия и сравнительно высоких температур; наличие инверсионных процессов, в результате которых горный массив оказался на современной глубине (постинверсионный период) [5,7].

В различных районах Донбасса разрабатываются угли разной степени метаморфизма, представленные марками углей от длиннопламенных (Д) до антрацитов (А). По мнению многих специалистов столь различную степень преобразования органической массы определила глубина ее погружения. Увеличение степени метаморфизма каменных углей характеризовалось уменьшением выхода летучих веществ (н^daf от 40,0 до 8,0%) и логарифма удельного электросопротивления антрацитов (lgс от 8,0 до 0,4). Оно сопровождалось увеличением плотности органической массы от 1,25 до 1,75 т/м^3, т.е. в 1,4 раза. Совершенно очевидно, что гравитационные напряжения значительно превосходили предел упругости. Имело место пластическое деформирование [5].

С позиций влияния этих процессов на свойства пород (породного массива) очень важно, что пластическое деформирование (в том числе деформации ползучести) имело место при трехосном сжатии.

Сама природа формирования осадочных массивов в условиях трехосного сжатия, когда имело место пластическое деформирование, предопределяет низкую сопротивляемость горных пород (углей) напряжениям (деформациям) растяжения.

В соответствии с изложенным, чем больше глубина погружения для углей разных марок, тем большее должно быть различие по сопротивляемости напряжениям сжатия и растяжения.

Другим важным следствием формирования массива в условиях длительного времени сохраняющегося трехосного сжатия, приводящего к существенному пластическому деформированию, является наличие в условиях полной или частичной разгрузки деформаций обратного знака - деформаций упругого последействия и обратной ползучести [6,7,8].

Вторая особенность формирования горного массива состоит в том, что глубина погружения в сочетании с довольно высокой для осадочных пород температурой (для антрацитов соответственно 9000 м и примерно 300°С) определили не только уплотнение горного массива, но и физико-химические превращение. Для органических материалов это выразилось в росте содержания углерода с 84,0 в газовых углях до 97,5% в антрацитах и изменении других показателей органического материала [5].

Третья особенность формирования осадочного массива Донбасса заключается в том, что период погружения обломочного и органического материала (доинверсионный) сменился периодом постинверсионным. Тектонические силы «подняли» угольные пласты и вмещающие их породы на современную глубину.

Инверсия привела к существенному нарушению целостности угленосного массива. Всевозможные тектонические нарушения, тектоническая препарация превратили массив в целом, а также отдельные его районы, участки, блоки в очень неоднородные по прочности, деформационным, газодинамическим и другим характеристикам. Метаноносные угольные и породные пласты, оказавшиеся в окрестности (вблизи) всевозможных нарушений и структур, за геологические периоды где-то дегазировались существенно, а где-то значительно меньше. Неоднородность отдельных районов, участков, блоков усугубилась и по газоносности.

Научное осмысление отмеченных особенностей формирования осадочных массивов и многолетние лабораторные и натурные эксперименты нашли свое отражение в ранее не рассматриваемом направлении исследований - уточнением природы разрушения осадочных массивов, вмещающих горные выработки. В основе новых представлений лежит утверждение того, что причиной разрушения является не современная напряженность или какой-то ее рост, концентрация напряжений на контуре, впереди выработок, а разгрузка напряженных пород (угля) в окрестности искусственно образованной полости (выемки, выработки), приводящая к возникновению и развитию деформаций генетического возврата (ДГВ) в направлении полости - выработки [7]. Отмеченные деформации характеризуются большим запасом потенциальной энергии, которая позволяет протекать им достаточно продолжительный период времени.

Особенности напряженно-деформированного состояния и разрушения части горного массива, примыкающего к выработке, рассматриваются с учетом изложенных ранее положений. Но к ним добавляются еще и менее значительные, но все-таки, существенные свойства природной среды. Реальный осадочный горный массив является трещиновато - пористым телом. Его пустотность заполнена материнской водой (в которой содержится много химических соединений), метаном и его гомологами. О состоянии этих элементов достоверных, доказательных сведений мало. Сам массив формировался под влиянием физико - химических превращений, происходивших в течение продолжительных периодов времени при высоких температурах и значительных объемных (трехосных) напряжениях.

Считаем необходимым еще раз обратить внимание на важность учета предыстории горного массива и роли временного фактора. Решение аналитических задач, математическое описание процессов и явлений, происходящих при разгрузке части угольного (породного) пласта изучаются в ограниченных системах, поскольку природа основных из них изучена слабо: ранее эти решения для процессов деформаций, происходящих при разгрузке и учитывающих реальную среду, почти не выполнялись, но именно сформировавшуюся к настоящему времени среду и необходимо исследовать в первую очередь.

Анализируя особенности проявлений выбросоопасности на шахтах им. А.Г.Стаханова и «Октябрьский рудник», можно сделать вывод, что степень метаморфизма углей, разрабатываемых шахтами, такова, что уровень природной метаноносности песчаников оказался достаточным для формирования потенциальной выбросоопасности и возникновения выбросов породы и газа.

Две задачи поставила практика и которые решены наукой:

ѕ установить, связана ли генетическая метаноносность песчаника с ближайшим угольным пластом или только с песчаником, в котором метан находится;

ѕ вскрыть особенности метаморфизма органического вещества, содержащегося в песчанике.

На основании экспериментальных исследований, заключавшихся главным образом в измерении давления и состава газов выбросоопасных песчаников и ближайших к ним угольных пластов, был сделан вывод, что газ, находящийся в выбросоопасном песчанике, генетически с ним связан.

В угольных пластах Донбасса, степень метаморфизма которых изменяется в диапазоне, характеризующимся х^daf 5 - 45%, изменение содержания гомологов метана подчиняется следующим закономерностям: в углях низкометаморфизованных (х^daf > 45%) гомологов метана нет, по мере увеличения степени метаморфизма они появляются, содержание их растет, достигает максимальных значений, а затем снижается вновь до практически полного отсутствия.

В углях одинаковой степени метаморфизма (х^daf = 5 - 35%) на небольших глубинах (до 150 м) гомологов метана в составе газов пласта нет; затем по мере увеличения глубины залегания они появляются, содержание их растет, достигает максимальных значений, а затем снижается вновь до практически полного отсутствия. Глубина, на которой отмечены максимальные значения их содержания, тесно связана со степенью метаморфизма углей.

Установление ранее неизвестной закономерности - зависимости природного формирования потенциальной выбросоопасности от степени метаморфизма угля, имеет значительный интерес. Оно должно быть дополнено не менее закономерной зависимостью выбросоопасности от глубины разработки, но ниже зон газового выветривания и вполне может быть подкреплено конкретными фактами по опыту разработки отдельных шахтопластов.

В монографиях [5,8] впервые за тридцатичетырехлетний период (1953 - 1986 гг) анализировалось изменение числа выбросов угля и газа, произошедших при выемке угля по мере увеличения глубины разработки (всего 960). Выбросы угля и газа, произошедшие при глубоком внедрении (бурение скважин и гидроотжим), не учитывались.

Анализ был как бы двухэтапным.

На первом этапе констатировалось, что рассматриваемый значительный период времени - это как бы непрерывное углубление ведения горных работ, в среднем примерно на 300 м. Полагалось (на втором этапе), что рост до 1968 - 1969 гг и последовавшее затем снижение к 1986 г числа внезапных выбросов угля и газа происходил, главным образом, под влиянием увеличения глубины разработки. Делался вывод о необходимости дальнейших исследований.

Обработка статистических материалов о числе внезапных выбросов угля и газа N, происшедших при выемке на различных глубинах (H, м), позволило получить весьма надежную зависимость (1) при высоком значении корреляционного отношения з = 0,98.

(1)

Обращалось внимание на то, что на глубинах, где уже прекратились внезапные выбросы при ручной или механизированной (узкозахватной) выемке, выбросы угля и газа при сотрясательном взрывании имели место. В частности, по состоянию на 01.06.88 г при разработке шахтопластов, характеризующихся х^daf < 13 % на глубинах более 800 м не произошло ни одного внезапного выброса угля и газа.

Известно, что при производстве взрывных работ практически всегда разрушается угольный пласт на глубину (1,6 - 2,2) м. Ширина захвата при механизированной выемке в лавах выбросоопасных пластов в подавляющем большинстве случаев составляет 0,8 или 0,63 м. В соответствии с нашей рабочей гипотезой, как следует из уже изложенного, реальная возможность возникновения выброса угля и газа определяется как перераспределение напряжений при выемке угля призабойной части пласта.

Уже названный стандарт Минуглепрома Украины, его сущность и само название настоящей работы акцентируют внимание на особом, двояком значении зоны отжима. Если она превосходит глубину выемки, предполагать возможность внезапного выброса, конечно, не следует. Но если она окажется существенно превосходящей паспортную (проектную) глубину выемки за очередной проходческий (выемочный) цикл - непременно возникает опасность травматизма от обрушения пород кровли.

Стандарт Минуглепрома Украины «узаконил» сущность понятия отжим. Но он не назвал методику его определения, а следовательно, поставил такую задачу перед наукой как первостепенную.

Основная направленность дальнейших исследований с позиции уменьшения травматизма от внезапных выбросов угля и газа, а также от обрушений пород как бы двухзначная.

Во-первых, оценивая зону отжима при разработке выбросоопасных пластов как доказывающую отсутствие при выемки в ней угля вероятности возникновении внезапных выбросов угля и газа, необходимо учитывать требование ПБ, в соответствие с которым за основу эффективности примененного способа предотвращения выбросов принимается положение пункта 6.3.6.5 [1], в соответствии с которым по газодинамике зона разгрузки должна превышать глубину вынимаемой полосы угля за цикл не менее чем на величину неснижаемого опережения. Но длина стандартного, выпускаемого заводами (мастерскими) Минуглепрома Украины герметизатора ЗГ составляет 3,2 метра, а зона отжима может составлять величину большую чем длина герметизатора.

Во-вторых, необходимо принимать во внимание тот факт, что большая глубина зоны отжима может также явиться основным фактором, влияющим на обрушение пород кровли в очистном забое.

Исходя из этих положений становится очевидным, что необходим более мобильный и достаточно объективный способ определения глубины зоны отжима угольного пласта. Таким способом может быть способ, основанный на измерении уровня акустической эмиссии. Для определения эффективности этого способа и оценки степени корреляции его измерений с нормативным способом, основанным на измерении динамики газовыделения, намечено проведение промышленных испытаний на ряде шахт Донбасса.

горный порода уголь выбросоопасность

Библиографический список

1. СОУ 10.1.00174088.011 - 2005 Правила ведення гірничих робіт на пластах, схильних до газодинамічних явищ // Стандарт Мінвуглепрому України. - Макіївка: МакНДІ, 2006. - 225 с.

2. Степанович Г.Я., Николин В.И., Лысиков Б.А. Газодинамические явления при подготовке глубоких горизонтов. - Донецк: Донбасс, 1970. - 110 с.

3. Николин В.И., Заболотный А.Г., Лунев С.Г. Современные представления природы выбросоопасности и механизма выбросов как научная основа безопасности труда. - Донецк: Донбасс, 1999. - 96 с.

4. Левкин Н.Б. Предотвращение аварий и травматизма в угольных шахтах Украины. - Донецк: Донбасс. - 2002. - 393 с.

5. Влияние катагенеза горных пород и метаморфизма углей на их выбросоопасность / Забигайло В.Е., Николин В.И. - Киев: Наук. думка, 1990. - 168 с.

6. Николин В.И., Подкопаев С.В., Савченко П.И. Экспериментальное изучение зависимости деформаций генетического возврата от сохранения влажности образцов // Проблемы экологии. - 2002. - №1. - С. 80 - 85.

7. Николин В.И., Подкопаев С.В., Агафонов А.В., Малеев Н.В. Снижение травматизма от проявлений горного давления. - Донецк: Норд - Пресс. - 2005. - 331 с.

8. Николин В.И., Васильчук М.П. Прогнозирование и устранение выбросоопасности при разработке угольных месторождений. - Липецк: Липецкое издательство Роскомпечати, 1997. - 496 с.

Размещено на Allbest.ru