Борьба с внезапными выбросами угля и газа на отечественных шахтах продолжает оставаться одной из наиболее сложных проблем в области безопасного ведения горных работ. Она особенно злободневна для угольных шахт Донбасса, где внезапными выбросами поражены практически все геолого-промышленные районы разработки газоносных угольных пластов. За период 1954—1978 гг. в Донбассе ежегодно происходило в среднем около 50 внезапных выбросов угля и газа и около 100 сходных с ними газодинамических явлений.Во всех других угольных бассейнах нашей страны ежегодно происходит в среднем 9 внезапных выбросов угля и газа. Внезапные выбросы угля и газа вызывают нежелательные последствия: выброшенным углем засыпаются горные выработки на значительное расстояние (до 200 м и более), выводится из строя горное оборудование, выбивается и деформируется крепь, происходит обрушение пород, выработки заполняются метаном. Это приводит к длительным остановкам работ и сопряжено с опасностью взрыва пылегазовой смеси в горных выработках. Ликвидация последствий внезапных выбросов отрицательно сказывается на технико-экономических показателях работы шахт.[1]

Цели и задачи работы

На сегодняшний день, из-за разработки запасов угля на больших глубинах и в сложных горно-геологических условиях, очень актуальна тема выбросов, ранее считалось, что с увеличением глубины разработки, выбросопасность пластов будит расти, это опровергается тем, что с увеличением глубины разработки, давление действующие на пласт растет, и с эти уменьшается время формирования зоны отжима, в которой пласт изменяет свою структуру, в этой зоне пласт становиться безопасным по фактору выбросоопасность. Доказать, что с увеличением глубины разработки, после определенной глубины, выбросоопасность будит снижаться.[2]

Внезапный выброс угля и газа — это сложное явление природы, зависящее от многих одновременно действующих факторов, основными из которых являются горное давление, содержащийся в угле газ, физико-механические свойства угля. При этом сочетание действующих факторов для каждого случая внезапного выброса может быть различным. Этим объясняется наличие большого числа представлений о природе и механизме внезапного выброса. Однако наличие многих представлений не только не препятствует решению вопроса создания единой теории выбросов, но и способствует этому. Установленные закономерности позволили глубже проникнуть в природу внезапных выбросов, создать физическую модель выбросоопасного пласта и на их базе успешно решать многие практические вопросы борьбы с внезапными выбросами угля и газа в конкретных горно-геологических условиях разработки выбросоопасных пластов.[3] В настоящее время для эффективной разработки угольных пластов, склонных к внезапным выбросам угля и газа, приме­няется комплекс мероприятий, обеспечивающих предотвращение внезапных выбросов. К ним относятся прогноз выбросоопасности угольных пластов, опережающая отработка защитных пластов, технологические мероприятия, снижающие выбросоопасность призабойной части пласта, способы предотвращения выбросов и контроль их эффективности, мероприятия по обеспечению безопасности на случай возникновения внезапного выброса угля и газа. Перечисленный комплекс мероприятий изложен в “Инструкций по безопасному ведению горных работ на пластах, склонных к внезапным выбросам угля, породы газа”.[4]

Известно, что при проведении горных выработок происходят такие газодинамические явления, как внезапные выбросы угля и газа, внезапные выдавливания (обрушения или высыпания) угля с повышенным газовыделением, выбросы угля (породы) и газа при ведении взрывных работ. Эти газодинамические явления — результат быстропротекающего разрушения призабойной части газоносного угольного (породного) массива, сопровождающегося отбросом или обрушением угля и повышенным газовыделением. Разрушение призабойной части происходит под воздействием горного давления, давления газа и силы тяжести Земли. Внезапный выброс угля и газа - это сложное газодинамическое явление, которое характеризуется следующими стадиями: хрупким разрушением напряженной призабойной части пласта, вызванным производственными процессами; саморазвивающимся разрушением угольного массива с образованием полости определенной формы; выносом разрушенного угля в потоке расширяющегося газа; постепенно затухающим газовыделением из полости выброса и отброшенного угля.[5] Рассмотрим каждую из названных стадий. В выбросоопасных зонах угольный пласт часто настолько тектонически препарирован, что уголь в сущности представляет собой сыпучую среду. В таких случаях под хрупким разрушением следует понимать нарушение равновесного состояния угля, вызванное изменением напряженности призабойной части пласта. При этом следует иметь в виду лишь те производственные процессы, которые приводят к перераспределению напряжений в призабойной части пласта (выемка угля и пород в смешанном забое, мероприятия по предотвращению выбросов. Процесс выноса разрушенного угля происходит в потоке расширяющегося газа, который выделяется из угля по мере его разрушения. Было установлено, что выброс — это разрушение газоносного угольного пласта, время протекания которого (секунды) определяет его силу. По мере разрушения уголь отбрасывается и выносится потоком газа. Газовыделение из полости выброса обусловлено преимущественно выделением газа из угля, разрушенного выбросом, но не выброшенного. Таким образом, деление выброса угля и газа на стадии является чисто условным и не способствует пониманию природы и механизма выброса. Выброс угля (породы) и газа представляет собой быстропро-текающее самоподдерживающееся разрушение части газоносного угольного пласта, вызванное перераспределением напряжений. Последнее приводит к возникновению деформаций упругого восстановления и упругого последействия (деформаций растяжения) и сопровождается отбросом и выносом в газовом потоке разрушенного угля и образованием полости. Основными признаками внезапных выбросов угля и газа ипляются отброс угля от забоя, т. е. перемещение угля по выработке на расстояние, превосходящее расчетное (если исходить из угла естественного откоса), повышенное выделение газа в выработку (по сравнению с обычным для такой же массы угля, разрушаемой за одинаковые периоды времени), образование в угольном пласте характерной полости. Важными дополнительными признаками внезапных выбросов являются отброс оборудования, находящегося в выработке, наличие тонкодисперсной угольной мелочи, повреждение крепи выработок. Основные признаки внезапного выдавливания угля: смещение угольного пласта в сторону выработанного пространства (выработки) на сравнительно небольшое расстояние, образование в угольном пласте характерной полости, глубина которой меньше ширины ее устья, наличие зияющих трещин в выдавленном угле призабойной части пласта и между пластом и породами его кровли, повышенное выделение газа в выработку.[6] Основные признаки внезапного обрушения (высыпания): образование в угольном пласте полости, ось которой обычно ориентирована в направлении восстания пласта, расположение угля в выработке под углом естественного откоса, повышенное выделение газа в выработку. Повышенное выделение газа в выработку характеризует все три разновидности газодинамических явлений, однако в настоящее время его количественная оценка отсутствует.

В настоящее время при разработке выбросоопасных пластов столбовые системы предпочтительнее, чем сплошные. Применение столбовых систем разработки позволяет при проведении подготовительных выработок осуществить разведку выбросоопасности участков пласта, уменьшить число мест концентрации напряжений (углов в нишах за счет отсутствия верхнего угла в верхней нише и нижнего угла в нижней нише), создать условия для эффективной разгрузки и дегазации части угольного пласта, примыкающей к штрекам, выполнить противовыбросные мероприятия из штреков. К недостаткам столбовых систем разработки следует отнести отрицательные проявления горного давления. Ниже рассмотрены некоторые из них. При строительстве шахты № 21-бис ПО «Макеевуголь», разрабатывающей пласт Берестовский, проектом была принята полевая подготовка с применением столбовой системы разработки на передовые промежуточные квершлаги. В течение 2,5 лет во время подготовки двух лав восточного крыла шахтного поля при проведении подготовительных выработок произошло 44 выброса угля и газа при сотрясательном взрывании. Масса выброшенного угля изменялась в пределах 30—1950 т и в среднем составила 196 т. По ряду причин, из которых важнейшими были сложности поддержания полевых выработок, в октябре 1976 г. было решено на восточном крыле шахтного поля применить сплошную систему разработки (вариант лава-штрек). Длина восточной коренной лавы составляла 320— 330 м. Выемка угля производилась узкозахватным комбайном 2К-52. Крепь — индивидуальная, управление кровлей — полное обрушение. Длина первой восточной лавы 200 м. Выемка угля производилась комбайном 2К-52 с комплексом КМ-87Э. Длина ниш в обеих лавах 10—12 м. До перехода на сплошную систему разработки отбойка угля в нишах лав производилась буровзрывным способом. В лавах противовыбросные мероприятия не применялись. Для измерений начальной скорости газовыделения с целью определения безопасной глубины выемки по всей длине лавы через 9,5 м бурили скважины диаметром 42 мм и глубиной не менее 5 м. Интервал бурения 0,5 м. При использовании варианта сплошной системы разработки лава-штрек по состоянию на 1 июля 1977 г. произошел лишь один выброс при сотрясательном взрывании в нише. Масса выброшенного угля составила 100 т. Линейная плотность выбросов равнялась 2,3, а при столбовой системе разработки она составляла 25,9. Столь резкое изменение проявлений потенциальной выбросоопасности привело к выводу о целесообразности инструментального определения величин безопасной зоны разгрузки впереди лавы, в окрестности ниш и впереди подготовительных выработок. Схема расположения контрольных шпуров. Их непрерывно бурили по мере подвигания забоев. Интервал измерения начальной скорости газовыделения и длина измерительной камеры оставались неизменными. Газодинамическое состояние призабойной части пласта при сплошной системе разработки оценивалось по трем участкам: средняя часть лавы, нижняя и верхняя ниши. При столбовой системе разработки на передовые промежуточные квершлаги оценка производилась по участку проведения подготовительной выработки. В средней части лавы было пробурено 48 скважин, а в нишах — по 72 скважины. При одинаковом подвигании очистного забоя выполнено 38 циклов измерений в нишах и 16 циклов в лаве. Во время проведения вентиляционного штрека пробурено 40 контрольных шпуров и выполнено 20 циклов измерений. Рассмотрение графиков, построенных по усредненным результатам замеров начальной скорости газовыделения, показывает, что безопасная зона разгрузки в лаве более 5м, в углах верхней и нижней ниш, примыкающих к лаве, она равна 5м, ав углах, примыкающих к массиву, — 4м. В штреке она равна 2,5м. Следовательно, безопасная зона разгрузки в самой выбросоопасной части лавы в 1,6 раза больше, чем в штреке. Из гистограммы безопасной глубины выемки для штрека и угла ниш, примыкающих к массиву, видно, что в нишах лав вероятность возникновения выбросов минимальна, а в подготовительных выработках пласта при взрывной отбойке и длине шпуров 2,2—2,5 м она максимальна. Этим объясняется резкое уменьшение числа выбросов при переходе шахты на сплошную систему разработки. Практикой разработки пласта Смоляниновского на шахтах ПО «Донецкуголь» за период с 1946 г. по 1977 г. установлено, что линейная плотность выбросов при проведении штреков в 6,4 раза выше, чем в нишах лав при сплошной системе разработки.

Таким образом при помощи динамики газовыделения из пласта газа, можно определить зону отжима в которой можно безопасно добывать уголь.

Установлено, что число выбросов уменьбшается сначала в лавах , а затем в подготовительных выработках.ж Подтвержден способ определения максимальной глубины разработки шахтопластов, на которой в лавах прогнозируется прекращение выбросов угля и газа при выемке .Практическое значение заключается в применении зависимости проявления выбросоопасности (числа выбросов) от глубины разработки. Экономическая целесообразность существует в экономии средств на борьбу с внезапными выбросами.

Литература

1. Николин В.И., Васильчук М.П. «Прогнозирование и устранение выбросоопасности при разработке угольных местарождений», М.: 1997г.-58 с.
2. Николин В.И., Николин В. В., Яйло В. В. «Cпособ определения выбросоопасности глубины разработки выбросоопасных шахтопластов»-164 с.
3. Забигайло В. Е., Николин В. И. «Влияние катагенезисак горных пород и метаформизма углей на их выбросоопасность»- 43 с.
4. Николин В.И., Баличенко И.И., Симонов А.А.«Борьба с выбросами угля игаза в шахтах» - 225 с.
5. Производственные процессы в очистных забоях угольных шахт/ Под ред. Ярембаша И.Ф.- Донецк,ДонГТУ,1998г.- 183 с.
6. Шехурдин В.К. Горное дело: Учебник для техникумов.- М.: Недра, 1987г.- 440 с.
7. Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах.- М.:Недра,1976г.- 87 с.
8. Нормативы нагрузки на очистные забои действующих угольных шахт при различных горно-геологических условиях и средствах механизации выемки. МУП СССР, ИГД им. А. А. Скочинского, М.: 1991г.- 214 с.