Почти 70 лет тому назад на I Всесоюзной конференции по технике безопасности и горноспасательному делу в каменноугольной промышленности в докладе проф. В.Л.Биленко были сообщены сведения о методах понижения напряжений в вертикальных и горизонтальных направлениях, имеющих место при разработке выше- или нижележащих пластов. Линии опережения одного пласта другим составляли угол порядка 30° , а принятые французской горной промышленностью величины мощности пород междупластья М и опережения лавами защитных пластов горных работ защищаемого L вычислены эмпирическим путём и относились исключительно к снижению напряжений.
Для шахт Донбасса эти параметры были заимствованы и составили М? 35 м; L? 2М. В конце пятидесятых годов на основании анализа отечественного опыта применения защитных пластов, выполненного МакНИИ, принимается М? 60 м, а величина L признаётся правильной и сохраняется.
В начале шестидесятых годов головным институтом в системе Минуглепрома СССР по опережающей разработке защитных пластов как способе предотвращения выбросов угля и газа становится ВНИМИ. Основными методическими приёмами исследований стали: расчеты, основанные на теории упругости; моделирование и иногда измерения в шахтных условиях смещений горных пород, чаще всего выполняющиеся с помощью глубинных реперов.
К середине семидесятых годов ВНИМИ утверждает: “Очевидно, что в первую очередь и в основном теория упругости применима к надрабатываемым породам, в которых имеют место главным образом деформации упругого восстановления” [1, c. 57]. Детально рассматриваются процессы обрушений и сдвижений в подработанном массиве, а параметры зон защиты определяются для под- и надработки на основе углов полных сдвижений.
На протяжении почти 10 лет ВНИМИ остаётся на тех же позициях. По-прежнему считается, что в надработанном массиве “смещения происходят только за счет разгрузки от горного давления и носят в основном характер упругого восстановления” [2, c.104].
На основании этих представлений была разработана, стала нормативной и включалась в “Инструкции по безопасному ведению горных работ...” издания 1977 и 1989 гг. методика расчета защищенных зон. В соответствии с последней из них эффект разгружающего влияния лавы пласта h? 6 Смоляниновский шахты им. Скочинского на деформирование массива песчаника, залегающего в его почве, должен был проявиться при H=1200м (H – глубина залегания песчаника) на расстоянии по нормали всего 24 м.
В действительности её разгружающее влияние проявилось на расстоянии более 65 м, т.е. превзошло нормативное больше чем в 2,7 раза [3].
Более того, экспериментально в шахтных условиях было доказано, что процесс устранения выбросоопасности не соответствует представлению о том, что это результат деформаций упругого восстановления, по природе своей являющихся мгновенными. Процесс этот временной, т.е. не соответствующий положениям теории упругости и развивающийся (происходящий) во времени, исчисляющемся даже не сутками, а месяцами [3,4].
Полученные экспериментально результаты принципиально отличаются от существовавших в течение почти столетия представлений о природе процессов, приводящих при первоочередной отработке защитных пластов к устранению выбросоопасности. Они могут быть вполне удовлетворительно объяснены с позиции представлений о том, что устранение выбросоопасности является результатом деформации обратной ползучести породного массива, напряженность которого существенно уменьшена в результате первоочередной разработки защитных пластов [3]. Такое представление безупречно доказывают не только эксперименты, проведенные на шахте им. Скочинского, но и сохранение устойчивости откаточного штрека в зоне влияния лавы на шахте “Южной” ПО “Дзержинскуголь”. Только за счет образования в штреке компенсационных ниш и траншеи, позволивших изменить направленность деформации обратной ползучести, удалось обеспечить сохранение технологических параметров штрека [5].
Новое представление физической сущности процессов, происходящих в осадочном массиве при разгрузке в результате первоочередной отработки защитных пластов, позволяет по-новому оценивать параметры защиты:
- процесс разгрузки, приводящий к устранению выбросоопасности, должен рассматриваться как происходящий не мгновенно, а постепенно, последовательно перемещающийся по вертикали от защитного пласта в глубь массива во времени, т.е. временной. Из этого положения, в частности, следует, что если надработка используется для сохранения устойчивости подготовительных выработок, то проходить такие выработки можно не ранее чем через 6 мес. после отработки защитной лавы;
- степень разгрузки защищаемого пласта должна быть такой значительной, чтобы привела к резкому (на порядок и более) росту его проницаемости и обеспечила эффективную дегазацию этого угольного пласта;
- склонность к деформациям обратной ползучести не одинакова у пород различных литологических разностей и уменьшается от сланцев к песчаникам. Наличие глинистых и аналогичных им других сланцев между слоями песчаников может способствовать эффекту разгрузки;
- принципиально одинаковой способностью к деформациям обратной ползучести характеризуются одни и те же породы, залегающие в кровле или почве угольных пластов. Следовательно, размеры зон разгрузки над или под защитным пластом не должны различаться;
- чем выше напряженность породного массива (глубина залегания), сложенного идентичными породами, тем больше имевшие место ранее величины неупругого деформирования и тем, следовательно, большими могут быть потенциальные величины деформаций обратной ползучести при разгрузке. Значит, при увеличении глубины разработки эффект защитного влияния первоочередной разработки пластов должен возрастать, а не уменьшаться. Этими же процессами (увеличенными размерами деформаций обратной ползучести при разгрузке) объясняется и снижение устойчивости выработок при увеличении глубины разработки;
- наличие в осадочном массиве слоёв известняка, как сообщалось в докладе В.И. Николина и А.Д. Гончарова на научно-практической конференции, посвященной 90-летию Государственной военизированной горноспасательной службы (Донецк, 21-23 октября 1997 г.), может способствовать экранированию разгрузки и дегазации защищаемого пласта.
Литература
Теория защитных пластов / И.М. Петухов, А.М. Линьков, В.И. Сидоров и др. – М.: Недра, 1976. – 218 с.
Петухов И.М., Линьков А.М. Механика горных ударов и выбросов. – М.: Недра, 1983. – 280 с.
Государственный нормативный акт об охранет руда. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. - К.: 1994. -311с.
Николин В.И., Игнатович Н.В., Шепеленко В.А. Особенности проявлений горного давления на глубине 1200 м // Уголь Украины. – 1994. – №5. – С. 12–15.
Николин В.И., Игнатович Н.В., Шенец В.П. Новое направление в создании способов сохранения устойчивости откаточных штреков // Уголь Украины.–1996.– № 10–11.– С.32–34.