Николин В.И., Подкопаев С. В., доктора техн. наук, (ДонНТУ), Гончаров А.Д., канд. техн. наук (ГП «Артемуголь»), Бербенец В.С., инж (ЗАО «Лафорж Гипс»).
Источник: Прогнозирование выбросоопасности угольного пласта с учетом фактора времени. / Николин В.И., Подкопаев С. В., Гончаров А.Д., Бербенец В.С., // Уголь Украины. – 209. – №1.
Локальность (зональность) выбросоопасности неоднократно доказывали и объясняли доктор техн. наук Л. Н. Быков и академик А. А. Скочинский в тридцатые годы XX в. К началу 70–х годов уже был накоплен достаточно представительный опыт разработки, позволивший создать региональный способ прогноза выбросоопасности угольных пластов и песчаников. Удалось рассчитать долю площади реально выбросо- опасных участков, на которых произошли выбросы угля и газа. Она не превышала 1 % общей отработанной площади, что доказывало первостепенную социальную и экономическую необходимость непрерывного по мере подвигания выработок прогноза (оценки) выбросоопасности призабойной части шахтопластов [1 – 5].
Достоверность и высокую актуальность вывода в современных условиях подтверждают два объективных положения:
Pяд выбросоопасных шахтопластов, при выемке которых регистрировалось значительное число выбросов, в последние 10–15 лет не разрабатываются;
Pазвитие горных работ в Донецкой области преимущественно осуществляется в Красноармейско–Добропольском районе, в котором залегают пласты, менее метаморфизованные, менее газоносные и менее склонные к проявлениям выбросоопасности.
В соответствии с ранее установленной зависимостью вероятности возникновения выбросов угля и газа от степени его метаморфизма вышеперечисленные положения определяют практическую реальность закономерности природного уменьшения доли выбросоопасности и еще большую необходимость непрерывного прогноза призабойной части угольных пластов с учетом фактора времени.
Безусловным достижением МакНИИ и Минуглепрома Украины является утверждение стандарта отрасли, заменившего Инструкцию, действующую в Украине во времена Советского Союза. К сожалению, в стандарте почти в неизменном виде содержится текущий прогноз выбросоопасности зон по абсолютным значениям начальной скорости газовыделения. Разработан он более 50 лет назад. Его недостатки, приведшие к неединичным ошибкам, в том числе сопровождавшиеся смертельным травматизмом, публиковались неоднократно [3, 4]. Следует особо отметить, что названный способ никогда не прогнозировал выбросоопасность зон, если понимать под ними размеры по простиранию, падению, восстанию пласта
К концу 70–х годов МакНИИ одновременно с применением текущего прогноза выбросоопасности зон разработал новый способ оценки устранения выбросоопасности, названный контролем эффективности предотвращения выбросов. Основан он на динамике начальной скорости газовыделения, а не на ее абсолютных значениях. Способ можно применять не только в лавах, но и в отдельных случаях (по согласованию с МакНИИ) в подготовительных выработках вместо прогноза выбросоопасности по абсолютным значениям начальной скорости газовыделения или прочности угля пласта.
Научной основой предложенной ранее динамики газовыделения была физическая модель призабойной части выбросоопасного угольного пласта [3, 4]. Базировалась она на принятом в 70–е годы прошлого столетия большинством горнотехнической общественности представлении о возможной проницаемости призабойной части пласта. Дальнейшее, более детальное, углубленное, экспериментальное изучение особенностей изменчивости распределения водогазовых растворов привело к выводу об отсутствии водогазо– проницаемости не только отдельных блоков шахтопластов, но и их призабойной части [1,2,4,5]. Прежде привычный термин «газовыделение» ассоциировался со способностью угольного пласта пропускать и фильтровать через себя водогазовую смесь. Эта способность называется проницаемостью и имеет место только при наличии перепада давления. Но в тонкопористом от природы водогазоносном пласте перепада давления нет, хотя давление газов в пластах измеряется [2–5]. Наряду и одновременно со справедливостью сказанного водогазовыделение из призабойной части пласта из пробуренных в ней шпуров происходит и регистрируется. Процесс этот по физической сущности полностью идентичен выделению («испарению») воды (растворов) в лабораторных условиях из непроницаемого куска породы, отторгнутого от напряженного массива. Еще более наглядна идентичность названного испарения процессам, происходящим, например в деревьях. Процессы движения растворов обусловливаются капиллярными Ван–дер–Ваальса силами. В соответствии с результатами исследований [4, 5] выделение растворов из тонкопористого тела возможно только из капилляров размерами (диаметрами) не менее 10–7 м, если на границе «стенка капилляра – жидкость» возникает двойной электрический слой. Из капилляров диаметром более 10(ЕХР–7) м водные растворы выделяются и испаряются вследствие уменьшения капиллярных сил.
Для практического применения (пусть пока ограниченного) предлагаем наряду с привычным термином «газовыделение» использовать термин «капиллярная водогазоотдача», который будет характеризовать газовыделение из практически непроницаемого, миллионы лет находившегося в сложном объемном напряженном сжатии, но теперь разгруженного угольнопородного массива. В новом стандарте перечень известных ранее газодинамических явлений (ГДЯ) справедливо дополнен термином «выдавливание» (отжимы). Инструментального или другого способа измерения глубины выдавливания стандарт не содержит, что и определяет практическую необходимость его разработки. Прежде чем говорить о сущности разработки, приведем два замечания о недостатках изложения природы выдавливаний (отжима). Во–первых, неопределенная трактовка очень непростого рассматриваемого явления:
на с. 2 – «выдавливания (отжимы) угля» со ссылкой на приложение А, но на с. 136 – уже «внезапное выдавливание». На с. 3 (п. 4.2.1) «внезапным выдавливаниям», а в (п. 4.2.2) на этой же странице «выдавливаниям угля», на с. 6 (п. 4.2.7): «К угрожаемым по внезапным выдавливаниям угля относят...» и т. д.
Во–вторых, в приложении А (с. 136) констатируется, что отжим — это «Быстропротекающее смещение угольного массива в выработку без отброса угля; образование полости, заполненной крупнокусковатым углем». Два последних признака, по нашему мнению, являются только частным случаем отжима, характерным для маломощных (менее 0,8 – 1м) шахтопластов. Доказывают достоверность нашего утверждения шахтные эксперименты, в частности, выполненные еще в конце 70–х годов прошлого столетия в лаве особо выбросоопасного шахтопласта мощностью более 2,5 м шахты № 21-бис ГП «Макеевуголь» [3]. Способы предотвращения выбросов угля и газа в шахте не применяли. По динамике газовыделения при длине измерительных скважин 5 м и диаметре 42 мм, располагавшихся в верхней и нижней нишах, а также по лаве через 9,5 м, измеряли поинтервально начальную скорость газовыделения для определения нормативной безопасной зоны разгрузки.
При подвигании лавы на 100 м не измерено ни одного снижения начальной скорости газовыделения ни в лаве, ни в верхней нише. В нише, примыкающей к угольному массиву, газовыделение снижалось при глубине шпуров 4 м. Полости в призабойной части лавы никогда не регистрировались. Напомним, что более чем 50 лет назад доказывали: при выемке угля в лавах пластов мощностью примерно 1.8 м и более выбросы угля и газа на шахтах СССР, в том числе Украины, не происходили и не происходят, так как выемка производится именно в зоне отжима [3].
При любом распределении напряжении впереди движу-щегося забоя подготовительной выработки начальная область их роста от призабойной части пласта в глубину массива (обозначим условно точкой А на рис. 1) будет характеризовать глубину разгрузки, т. е. отжим угля.
Рис. 1. — Распределение гравитационных напряжений 1 впереди движущейся подготовительной выработки: l длина шпура для поинтервальных измерений скорости газовыделения.
Во всех толковых словарях, в том числе и в Горной энциклопедии (1989 г.), отжим однозначно определяется как «выдавливание угля в сторону выработанного пространства». Очевидно, что происходит оно всегда во время перераспределения напряжений при выемке угля. Именно при этом будет пониженная напряженность (рис. 1) и, следовательно, повышенная склонность к газоотдаче и газовыделению. Из–за того что рост природной газоносности от забоя в глубину массива подчиняется прямолинейной зависимости, ему же будет соответствовать и увеличение скорости газовыделення из шпуров по мере их углубления (рис. 2). Справедливость последнего положения доказана многочисленными шахтными экспериментами [3–5].
Рис. 2. — Зависимость скорости газовыделения из шпуров от длины шпура.
В начале XXI в. экспериментальные исследования группы специалистов Украины доказали, что на больших глубинах проявляются неизвестные ранее свойства углепородных массивов, например склонность к деформациям генетического возврата (ДГВ) при разгрузке [5]. В 2004 г. получен диплом Российской академии естественных наук на открытие.
В зоне отжима ДГВ стимулируют капиллярную водо–газоотдачу. Прекращение роста газовыделения происходит не из–за достижения области нулевой проницаемости, как это предполагалось нами ранее, а из–за достижения уровня напряженности, при котором разгрузка, необходимая для возникновения ДГВ и характеризующая зону отжима, не достигнута. Теперь, учитывая полуметровый нормативный интервал измерения начальной скорости газовыделения при использовании динамики газовыделения, прежнее нормативное отнесение середины интервала падения к разгруженной зоне должно быть названо глубиной отжима:
hотж=(lb-0,3)
где: lb — безрпасная зона разгрузки.
При дальнейшем углублении шпура величина начальной скорости газовыделения при использовании динамики газовыделения, как было установлено ранее [4]. будет обусловливаться размерами участков угольных пластов, разрушающихся вокруг измерительных камер, но не переходом от внедрения из невыбросоопасной в выбросоопасную часть массива. Реальность выбросоопасности можно доказать, если временной критерий (Кп больше 5) рассчитать по результатам фактических измерений:
Кв=gн/gт
где: gн — начальная скорость газовыделения;
gт — скорость газовыделения, измеренная через 3 мин после измерения gн, л/мин.
Допустимая глубина выемки:
lb=hотж-1
Схема расположения контрольных шпуров сохраняется соответствующей нормативным требованиям.
Николин В. И.. Заболотный А. Г., Лунев С. Г. Современные представления природы выбросоопасности и механизма выбросов как научная основа безопасности труда. – Донецк: РИАДонГТУ, 1999.
Забигайло В. Е., Николин В. И. Влияние катагенеза горных пород и метаморфизма углей на их выбросоопасность. – К.: Наукова думка, 1990.
Николин В. И.. Балинченко И. П., Симонов А. А. Борьба с выбросами угля и газа в шахтах. – М.: Недра, 1981.
Николин В. И., Васильчук М. П. Прогнозирование и устранение выбросоопасности при разработке угольных месторождений. – Липецк: Роскомиечать, 1997.
Снижение травматизма от проявлений горного давления / Николин В. И., Подкоиаев С. В., Агафонов А. В., и др. – Донецк: Норд–Пресс, 2005