А.А. Рубинский, В.В. Яйло, А.Д. Бондаренко. Сб. научн. трудов МакНИИ. - 1999. С.62-74

   Одна из самых опасных операций в технологии угля при разработке выбросоопасных шахтопластов – это бурение шпуров и скважин диаметром 42…900 мм для выполнения способов прогноза выбросоопасности и борьбы с ней. Так до 01.05. 1977 года на шахтах Донбасса было зарегистрировано 168 внезапных выброса угля и газа (ВВУ) при бурении шпуров и скважин. Работами МакНИИ доказано, что вероятность выброса уменьшается в 3 раза при уменьшении диаметра скважин со 100 мм до 42 мм. Существовало мнение о том, что при бурении шпуров и скважин диаметром 42…43 мм выбросы не должны происходить. Однако выброс угля, происшедший в 1976 г. на шахте "Нова Руда" в Польше при бурении шпура диаметром 42 мм полностью опроверг данное мнение. Сила выброса составила 1500 т угля и 180 тыс. м3 диоксида углерода. Выброшенным углем засыпано более 130 м выработок. Изложенное доказывает, что создание безопасных условий труда при бурении шпуров и скважин, остается актуальной задачей для угольной промышленности Украины.

   Ретроспективный анализ опыта бурения шпуров и скважин на выбросоопасных пластах Донбасса с 1931 года по 1977 год и тенденций развития способов прогноза выбросоопасности и борьбы с ней позволяет выделить три основных направления в бурении шпуров и скважин:

1. бурение шпуров и скважин с удалением продуктов разрушения сжатым воздухом в процессе бурения или продувкой их после бурения;

2. бурение шпуров и скважин с механическим удалением буровой мелочи витыми штангами и удаление штыба механическим способом, в том числе и под действием собственного веса;

3. бурение шпуров и скважин с использованием в качестве очистного агента глинистого раствора или воды.

   Испытание устройств для бурения скважин и отработка технологии бурения скважин, выполненная на шахтах Украины позволила конструкторам угольных предприятий и научно-исследовательских институтов создать для шахт Донбасса целый комплекс способов и устройств, основанных на использовании воды в качестве очистного агента и для снижения силы и частоты внезапных выбросов угля и газа. Анализ тенденций развития этих способов и устройств (в период с 1977 г. и по настоящее время) позволяет выделить несколько основных направлений их совершенствования:

1. вымывание угольного пласта через опережающие скважины (образование полостей), см. например А.С. СНГ (СССР) 129598, 160704, 169477, 179718 и др.;

2. нагнетание воды в угольный пласт с целью снятия выбросоопасности (гидрорасчленение, гидрорыхление, гидроотжим, замораживание) см, например А.С. СНГ (СССР) 175468, 174458, 188441, 188442, 199065, 231501, 219510, 432295, 620625, 665100, 712515 и др.;

3. способы борьбы с внезапными выбросами угля и газа при бурении шпуров и скважин, см. например А.С. СНГ (СССР) 160708. После внезапного выброса угля и газа на шахте "Новая Руда" и шахте им. М.И. Калинина разработано новое направление: снижение силы и час-тоты внезапного выброса угля и газа при бурении шпуров и скважин с использованием воды в качестве очистного агента А.С. СНГ (СССР) 1008467.

   Положительные результаты последнего направления послужили основой для испытания агрегатов для бурения скважин большого диаметра гидромониторной установкой (АГС) на шахте им. 60-летия Советской Украины при проведении разрезной печи 5 западной лавы западного уклона пласта (РП) с последующим разрушением боковых пород отбойным молотком и образованием ходка.

   Горно-геологические условия испытания следующие: угольный пласт простого строения = 0,68 м, угол падения 17?, отнесен к категории особо выбросоопасному. На участке испытаний при проведении трех подготовительных выработок произошли 11 внезапных выброса угля. Место проветривания РП отнесено к зоне повышенной выбросоопасности. Вначале предусматривалась следующая технология РП: по восстанию пласта с откаточного на вентиляционный штрек вымывалась установкой АГС скважина диаметром 300 мм на всю длину РП далее она расширялась установкой АГС до проектных размеров выработки (шириной 3,2 м), заходками по 3 м, затем осуществлялась подрывка пород кровли отбойным молотком на 0,3 м и креплением выработки деревянными стойками под распил. Управление установкой АГС осуществлялось с дистанционного пульта установленного на свежей струе воздуха на расстоянии 80 м от установки АГС (устья РП). Для обеспечения безопасности работающих установлены устройства "Воздух - 3" у стойки АГС на расстоянии 10 м от него и на расстоянии через 50 м по обходному квершлагу 5 горизонта, у пульта управления АГС, были установлены спасательные аппараты ПСА-1.

   После того как была пройдена монтажная камера длиной 6 м и смонтирована установка АГС начато вымывание скважины. При вымывании 8 метра произошел внезапный выброс угля и газа (01.06.1983). Сила выброса 14 т угля, 1600 м3 метана, выработку засыпано на протяжении 6 м (монтажная камера) концентрация метана была более 2,5%.

   Технологию РП пришлось изменить. Далее производилась ликвидация последствия выброса, проходка выработки в зоне влияния полости с выемкой угля АГС, а затем приступили к продолжению вымывания скважины на длину 10-30 м, с последующей выемкой угля АГС на глубину 3 м и далее по описанной выше технологии. После того как РП была пройдена на глубину 60 м, а ранее пробуренная скважина отклонилась влево и вышла за пределы проектного сечения выработки, приступили к вымыванию новой скважины установкой АГС. Пробурить удалось только 1,2 м и при этом произошел второй внезапный выброс угля и газа (12.09.83). Сила выброса составила 58 т угля, 4200 м3 метана, углем засыпано 60 м РП и сопряжение РП с 5 западным откаточным штреком. Повреждена крепь РП. Была опрокинута вентиляционная струя воздуха и загазированы 5 восточная лава пласта и обходной квершлаг 5 горизонта. В результате в зоне загазирования оказались 4 человека на обходном квершлаге у пульта дистанционного управления и 22 человека на участке 5 восточной лавы. Травмирования работников шахты не произошло. Третий внезапный выброс угля и газа произошел 28.09.1983 г. при вымывании 15 метра этой же скважины. Сила выброса составила 56 т угля, и 2400 м3 метана. Засыпано углем 35 м РП. Вентиляция не нарушена. Люди своевременно вышли в безопасное место. После этого выброса, когда РП была пройдена на длину более 100 м удалось пробурить скважину до 5 вост. вентиляционного штрека. Перед четвертым выбросом 25.11.83 г. РП была пройдена на 135 м. Работники шахты расширили скважину установкой АГС до проектных размеров РП на 1 метр и приступили к расширению ее на следующем метре, через 16 минут работы АГС произошел внезапный выброс угля и газа. Сила его составила 35 т угля, 1750 м3 метана, выработка засыпана углем на расстоянии 25 м от забоя. Произошло кратковременное опрокидывание воздушной струи и газовым облаком (1%) было застигнуто 3 человека у пульта управления АГС и 3 человека в 5 восточном откаточном штреке. Травматизма людей не было. Длина перечисленных полостей внезапных выбросов угля была от 5 до 20 метров, что не способствовало повышению безопасности труда в очистных забоях.

   Данный опыт показывает, что механический перенос аппаратуры, предназначенной для вымывания скважины и разрушения угля водой на не опасных по выбросам пластах в такие сложные горно-геологические условия не обеспечивает безопасность работающих даже при наличии дистанционного управления.

   Анализ правил безопасности показывает, что все нормативные методы имеют один общий элемент – бурение шпуров или скважин.

   В Донбассе по состоянию на 1 января 1985 г. при бурении шпуров и скважин зарегистрировано 193 внезапных выбросов угля и газа. Сила выбросов иногда достигала 1500 т. Произошли выбросы угля и газа при бурении шпуров диаметром 42 мм. Внезапные выбросы угля и газа при бурении скважин в выбросоопасных пластах произошли почти во всех бассейнах мира.

   При проходке тоннеля Арпа-Севан в выбросоопасных породах, при бурении шпуров происходили зажатия бурового инструмента или пережатие скважин и шпуров, причем при заряжении наблюдалось выталкивание патронов ВВ. Это дополнительное свидетельство того, что реакция выбросоопасного напряженного массива изверженных пород близка к реакции массива угля, а следовательно выбросы породы и газа при бурении скважин или шпуров не могут быть исключены.

   НПО Углемеханизация при взаимодействии с ДонГТУ и МакНИИ разработан комплекс для вымывания скважин и образования пазов (КБГ) на выбросоопасных пластах ?4?.

   Опытная отработка технологии вымывания скважин и пазов установкой КБГ проведена на шахтах, разрабатывающих крутые пласты. Во время работы установки КБГ 29.11.1981 г. на пласте - Мазурка, произошел внезапный выброс угля и газа. Сила выброса составила более 2000 т угля, уголь засыпал выработки на длине более 200 м, объем выделившегося газа не установлен. Данное ГДЯ произошло при опробывании гидравлики комплекса с глубины 5 м, при вымывании восстающей скважины на 6 метре. Застигнуто 3 человка, два из них смертельно травмированы. Комплекс был доработан и в комплект его вошло устройство локализации ВВУ. Дальнейшие его испытания выполнялись, как на крутопадающих пластах, так и на пологих, в том числе и на шахте им. 60-летия Советской Украины. Испытания подтвердили работоспособность установки и возможность локализации ВВУ при бурении скважин.

   В 1992 году производственники шахты им. 60-летия Советской Украины предложили использовать КБГ для проведение флангового ходка 6 восточной лавы западного уклона пласта . Были пробурены три скважины длиной 164 м; 60 и 69 м. При бурении скважины № 1 на первых 10 м газодинамические явления отсутствовали. Однако начались повышенные выделения газа, выбросы газа и после того как было пробурено 13 м, 1.06.92 установили устройство для локализации (снижения силы выбросов). Благодаря этому устройству удалось избежать ГДЯ с 19 метра скважины, так как произошел повышенный вынос штыба и выработка была загазирована. Но разрушения скважины и бурового инструмента не произошло. Вымывание было продолжено и вновь 22.07.92 произошло резкое усиление газовыделения из скважины и 23.07.92 с глубины 75 м произошел микровыброс пульпы и газа, люди были вынуждены уйти в безопасное место. Дальнейшее вымывание скважин подтвердило надежность устройства локализации выбросов угля, когда только в конце смены после вымывания соответственно 6 и 10,2 м (29.07.92 и 30.07.92) произошли выбросы газа. Скважина № 1 была вымыта на всю высоту этажа. Технология вымывания скважины использует в своей основе А.С. СНГ (СССР) 1008467 и заключалась в том, что при наличии вымывания скважины работу установки начинали с разрушения угольного массива низконапорной водой из противопожарного става, а только затем кратковременно (2-3 мин) включали насосную установку ШНУ настроенную на давление 8-10 МПа. При отсутствии газодинамических явлений и получения информации о гидравлическом разрушении угля давление повышалось до 14-17 МПа, а время воздействия увеличивали до образования опережающей полости длиной 1 м (длина штанги) но не более 10 мин.

   Данная технология была использована и при вымывании двух других скважин, которые по организационно-техническим причинам были пробурены соответственно только на 60 и 69 м. Дальнейшие работы по организационным причинам были приостановлены, а возобновлены только в 1994 г., когда установку стали использовать при проведении флангового ходка 4 восточной лавы западного уклона пласта в 1994-1995 г.г. Для его проведения планировалось пробурить две скважины, расположенные по направлению стенок флангового ходка, а затем путем вымывания межскважинного целика и подрывки кровли ОМ заходками по 1 метру организовать проходку ходка. При вымывании скважины № 1 аппаратура акустического прогноза (АК-1) конструкции ДГИ регистрировала "опасно" 9 раз, в трех из них аппаратура газового контроля зарегистрировала выбросы газа с концентрацией метана у устья скважины более 2,5. Скважина вымыта на всю высоту этажа (более 100 м).

   При вымывании скважины № 2 аппаратура АК-1 не зарегистрировала "опасно" ни одного раза. Выбросы газа произошли четыре раза с концентрацией метана более 2,5%. Из-за большого отклонения скважины от заданного направления вымывание скважины прекратили.

   Приняли решение вымыть дополнительно третью скважину между первыми двумя. При ее вымывании аппаратура АК-1 зарегистрировала "опасно" в 15 случаях и только в четырех случаях произошли выбросы газа с концентрацией метана более 2,5%. Причем один из случаев произошел при отсутствии прогноза "опасно" по данным аппаратуры АК-1.

   Выводы:

1. Максимальная интенсивность выброса при бурении шпуров или скважин без промывания водой составила 2000 т (более 1500 т при бурении шпура диаметром 43 мм и более 2000 т при бурении скважин диаметром 76 мм и более). Длина загазованной части выработок при выбросах через скважины или шпуры составила более 1 км. Длина (величина) отброса угля более 200 м. Указанные величины могут быть использованы для обеспечения безопасности работ при совершенствовании способов бурения шпуров и скважин.

2. Анализ выполненных работ показывают перспективность и возможность обеспечения безопасности при бурении шпуров и скважин в наиболее опасных по внезапным выбросам пластах с использованием воды в качестве очистного агента.

    Л И Т Е Р А Т У Р А

1. В.И. Николин, И.И. Балинченко, А.А. Симонов. Борьба с внезапными выбросами угля и газа в шахтах. – М., Недра. – 1981. – 304 с.

2. Николин В.И. Разработка выбросоопасных пластов на глубоких шахтах. – Донецк, Донбасс. – 1976.

3. И.П. Чеботков, П.Я. Заставенко. Бурение глубоких скважин в выбросоопасных пластах Донбасса. – Киев, Техника. – 1964. – 168 с.

4. В.И. Николин, В.В. Яйло, Е.Д. Ивашкин. Безопасное проведение гезенков на крутых пластах. //Уголь Украины. – 1996, № 4. – с. 28-31.