Источник: Статья написана для конференции проходившей в Донецком государственном техническом университете и опубликована в учебном пособии "Теория выбросов и прогнозирование выбросоопасности".
Горно-геологические условия разработки различных месторождений нашей страны существенно отличаются. Справедливо ссылаясь на специфику условий, научные работники и производственники для "своих" бассейновых условий создают "свои" способы борьбы с выбросами, "свои" методы прогноза выбросоопасности.
Но природа выбросоопасности, механизма возникновения и протекания выбросов едины. Неправильно думать, что в Сибири и Казахстане потенциальную выбросоопаснооть обусловливают и приводят к реализации одни Факторы, в Донбассе - другие, в Балканском бассейне Болгарской Народной Республики - третьи, а в Австралии - четвертые. В выбросоопасных ситуациях (зонах, участках) специфика месторождений не играет сколько-нибудь существенной роли. Решавшее значение имеют Факторы, определяющие выбросоопаснооть. Приведем несколько примеров из опыта отработки выбросоопасных пластов, доказывающих правильность высказанных положений.
При разработке пластов мощностью более 2 м в очистных выработках шахт Карагандинского, Кузнецкого бассейнов СССР и Печского бассейна ВНР выбросы угля и газа не происходят. Не наблюдаются они в лавах при разработке весьма выбросоопасного пологого пласта l8’ в условиях Донбасса (шахта 21-бис ПО Советскуголь). Но их отсутствие объясняется не спецификой месторождений, а тем, что в лавах пластов мощностью более 2...2,5 м силы горного давления настолько разрушают призабойную часть пласта, что выемка угля при ограниченной глубине внедрения вынимаемой полосы делает невозможным проявления потенциальной выбросоопасности. Однако в подготовительных выработках выбросы происходят во всех названных бассейнах. В этом плане, особенно показателен опыт шахты 21-бис. Только при проведении разрезной выработки 3-й восточной лавы длиной 330 м произошло 9 выбросов, а кроме того, при проведении третьего восточного вентиляционного и пятого восточного конвейерного штреков - 18. Таким образом, на весьма ограниченной площади пласта в подготовительных выработках произошло 27 выбросов, в лаве - ни одного.
При бурении скважин в условиях Донбасса было зарегистрировано большое число внезапных выбросов угля и газа (по состоянию на 01.01.89 г. 198 случай). Происходили они при бурении скважин (шпуров) диаметром от 43 до 900 мм. Сила отдельных выбросов достигала 15...20 МН.
Внезапные выбросы угля и газа при бурении скважин произошли почти во всех бассейнах мира, разрабатывающих выбросоопасные пласты. Вместе с тем в зарубежных странах существовало мнение о том, что опасность возникновения внезапных выбросов при бурении скважин диаметром 100...150 мм ничтожна, а скважин диаметром 43 мм даже отсутствует. Но в 1976 г. произошел новый внезапный выброс угля и газа силой более 15 МН на шахте "Нова Руда" в Нижнесилезском бассейне ПНР при бурении скважины диаметром 42 мм и длиной около 8,5 м.
Таким образом, можно утверждать, что у природы выбросоопасности нет национальных или бассейновых особенностей. В настоящее время существуют две группы представлений механизма возникновения и развития выбросов угля и газа. Основоположник первого представления, довольно детально и основательно аналитически (математически) разработанного академиком С.А.Христиановичем, развитого сотрудниками ВНИМИ и ИГД и другими.
Впереди любой выработки в массиве горных пород (угля) есть область концентрации напряжений. При воздействии на забой (выемка, бурение и т.п.) высокое опорное давление способствует потере устойчивости состояния равновесия и может привести к внезапному разрушению - растрескиванию призабойной части горного массива. При наличии такой области десорбируюшийся и расширяющийся газ в состоянии отбросить уголь на значительное расстояние. Если в какой-то период времени давление газа на поверхности АБ упадет со значения Р1. B массиве до давления Р2, частицы поверхности обнажения окажутся под воздействием растягивающей силы. При силе, превосходятся прочность угля, происходит отделение (отрыв) частиц в поверхностном слое, обнажается новая поверхность А1 В1. Сила, отрываюшая часть угольного массива, возникает вновь и процесс разрушения повторяется. Расширяющийся газ выносит разрушенный уголь в выработку.
При рассмотрении слоя разрушения не следует понимать его как со храняюшим свою связность. Частицы на обнажаемых поверхностях могут отрываться.по отдельности, размеры их могут быть различными. Поверхность отрыва формируется хаотически и не является "гладкой". Следовательно, под толшиной слоя следует понимать статистически среднюю толщину отрываемых частиц.
Разрушение определяется ростом трешин в направлении, параллельном плоскости забоя. Этот рост возможен благодаря высокому давлению газа в трещинах, стремящемуся их "раскрыть". Напряжения сжатия, параллельные плоскости забоя, оцениваются как способствую¬щие прорастанию трешин.
Детали механизма каждого элементарного акта отрыва достаточно сложны. Важным условием возникновения внезапного выброса является не только определенное напряженное состояние, изменение которого при определенной прочности угля сопровождается его разрушением и газовыделением. Серьезное значение имеют скорости изменения напряженного состояния и разрушения призабойной части пласта угля - образования трешин, обеспечивающие реализацию сил при отбросе в выработку разрушенного угля.
Сущность другой группы представлений механизма возникновения и протекания выбросов угля (породы) и газа заключается в следующем. Перераспределение напряжений, вызываемое внедрением в газоносный горный массив, сопровождается деформированием в направлении пройденной выработки. Деформации упругого восстановления, упругого последействия и обратной ползучести, по природе являющихся деформациями растяжения, в определенных условиях (выбросоопасные зоны) достигает значений, которые приводят к разрушению ограниченного объема призабойной части пласта. Оно становится возможным потому, что уголь (в отличие, например, от стали) - материал, по-разному сопротивляющийся сжатию и растяжению. Эту особенность численно можно оценивать показателем хрупкости Хп и представляющем собой отношение временного сопротивления сжатию и растяжению.
Наличие метана (углекислого газа и т.п.) в порах и микротрещинах горного массива приводит к своеобразному его охрупчиванию и увеличивает склонность к разрушению при разгрузке. Оно лавинообразно: возникает новое перераспределение напряжений, новое разрушение, которое прекращается или вследствие того, что деформация растяжения окажется ниже предельной, недостаточней для разрешения, или потому, что его предотвратит выброшенная горная масса, которая играет роль своеобразной перемычки, не допускающей увеличения призабойной части пласта в объеме, без которого невозможно разрушение.
Газ, содержащийся в поровом объеме угольного пласта, увеличивает склонность угля к разрушению при перераспределении напряжений, вызванном разгрузкой призабойной части пласта. Выделяясь (десорбируясь) из разрушенной горной массы, он совершает часть работы по отбросу и работу по транспортированию угольного материала по выработке. Транспортирование сопровождается дополнительным истиранием раздробленных частиц угля и образованием тонкодисперсной мелочи ("бешеной муки"). Подобная "бешеная мука" (только белого цвета) образуется и при выбросах пород и газа. Она, как правило, не обнаруживается при выбросах небольшой силы: примерно до 0,5...1,0 МН. При выбросах большой силы (более 4...5 МН) основное количество тонкодисперсной фракции находится в конце откоса разрушенного угля (породы) и на его поверхности. Лавинообразное разрушение становится возможным лишь в случаях, когда в выбросоопасный массив внедряются на глубину, превышающую зону безопасной разгрузки, за пределами которой оно и зарождается.
Теоретические основы двух описанных представлений механизма возникновения и развития выбросов угля, породы и газа в некоторых аспектах существенно различны. Но с позиций практики, принципов создания способов предотвращения выбросов они, в определенной степени дополняя друг друга, увеличивают диапазон поисков и решений.
Известно, что любые практические решения надежны, эффективны, если научно обоснованы, т.е. созданы на научной основе, в лучшем случае на базе теории. С этих позиций рассмотрим сущность теории выбросов в целом.
В 1979 г., т.е. в конце десятой пятилетки, было завершено выполнение многолетнего исследования "Сформулировать теорию внезапных высбросов угля, породы и газа, разработать научные основы создания методов их прогнозирования и определить основные способы предотвращения внезапных выбросов". Провозглашено создание в СССР впервые единой теории выбросов.
В качестве ответственных исполнителей и исполнителей исследование вели 90 научных сотрудников ИГД, ВНИМИ и 61 - других двенадцати институтов (организаций).
Большая советская энциклопедия (БСЭ) определяет теорию в широкой смысле как "комплекс взглядов, представлений, идей, направленных на истолкование и объяснение какого-либо явления".
С позиций такого представления нельзя не согласиться с тем, что теория была создана и включает в себя рассмотрение ряда важных положений , в числе которых:
- геологические условия проявления выбросов;
- напряженное и газодинамическое состояние угольного пласта и вмещающих пород в окрестности выработки;
- приложение теории устойчивости к проблеме внезапных выбросов;
- волна дробления при выбросах;
- баланс энергии при внезапных выбросах.
Завершается она изложением теоретических основ прогноза выбросоопасности и мер предотвращения внезапных выбросов.
Большая советская энциклопедия содержит определение теории "в более узком и специальном смысле - высшая, самая развитая форма организации научного знания, дающая целостное представление о закономерностях и существующих связях определенной области действительности - объекта данной теории".
..."Роль теории не ограничивается обобщением опыта практической деятельности и перенесением его на новые ситуации, а связана с творческой переработкой этого опыта, благодаря чему теория открывает новые перспективы перед практикой, расширяет ее горизонты".
Теория внезапных выбросов не в полной мере отвечает этим требованиям. Она содержит не закономерности, а только зависимости по частным вопросам. Не открываются новые перспективы перед практикой. Содержащиеся рекомендации носят обший характер, а конкретизация свелась к описанию существующих способов. Например, в ней утверждается, что "для ликвидации выбросоопасной ситуации достаточно выполнить одно из следующих условий:
- уменьшить напряженное состояние массива...
- снизить давление газа в пласте (уменьшить газоносность пласта)...
-изменить свойства пласта...
В разделе "Научные основы комплекса мер"..., являющиеся как бы концентрированным результатом исследований раздела, содержатся только известные способы предотвращения внезапных выбросов, в том числе взрывание зарядов большой мощности, гидрорасчленение угольных пластов с поверхности, не давших положительных результатов.
В сущности то ке самое относится и к прогнозированию выбросоопасности. В разделе "Научные основы прогноза выбросоопасности..." делается вывод, что они ... "дают возможность предложить следующие принципы прогноза:
1. Теоретическая модель критерия выбросоопасности в виде математического неравенства должна отвечать физическим представлениям о причинах и механизме внезапных выбросов...
2. Прогноз осуществляется на базе экспериментального (инструментального) определения комплекса параметров...
3. Прогноз осуществляется на основе полного и конечного числа параметров..." Очевидно, что принципы эти очень общего характера.
Однако названные весьма существенные недостатки теории выбросов не дают право отвергать наличие теории. В БСЭ (с. 435) подчеркивается, что "формы и глубина теоретического мышления могут сильно варьировать, что находит историческое выражение в развитии структуры теоретического знания, в формировании различных способов его внутренней организации". Принципы предотвращения внезапных выбросов и создания способов прогноза выбросоопасности, изложенные в теории выбросов, являются развитием тезиса академика А.А.Скочинского о том, что три фактора в совокупности определяют формирование выбросоопасности: горное давление, газ и физико-механические свойства. Они не конкретизируют направленность поиска решений по предотвращению внезапных выбросов или по прогнозу выбросоопасности, но позволяют на базе общих принципов и при условии более детального изучения отдельных вопросов природы выбросоопасности пытливому инженеру, ученому находить такие решения.