В настоящее время на шахтах Донецкого бассейна ведется добыча превышающая половину общей добычи угля по всей Украине. Шахты Донбасса ведут разработку пластов на глубинах начиная с 800 м и заканчивая 1250 м. И на этом отработка пластов не останавливается, не смотря на то, что горно–геологические условия усложняются, что приводит к увеличению степени выбросоопасности и к человеческим жертвам.

Цель работы — предложить методику прогноза выбросов угля и газа на основе изучения трещиноватости угольного массива.

Задачи исследования:

Изучить литературные источники по вопросам выбросов угля и газа;
Установить связь между выбросами и разрывными нарушениями;
Определить расстояния до разрывных нарушений на основе изменения частоты трещиноватости.

Введение

Наиболее ярким выражением несоответствия между возможностями современного производства и существующими способами отработки месторождений являются внезапные выбросы угля и газа.

Выброс — процесс спонтанного самоподдерживающегося разрушения и перемещения разрушенного материала, провоцируемый отторжением угля и пород в их призабойной части. Выброс угля и газа — это сложное газодинамическое явление (ГДЯ).Основными признаками выброса являются высокая степень измельчения угля и горных пород, расположение их в выработке под углом меньшим угла естественного откоса, повышенное газовыделение и наличие полостей в массиве горных пород. Внезапные выбросы происходят в рабочих забоях очистных, подготовительных выработок и капитальных горных выработок.

Анимация 1. Внезапный выброс угля и газа.
(Анимация: формат – gif; количество кадров – 12; количество повторений – 7; продолжительность между кадрами: 1–10-м – 1 сек., 10–12-м – 1/10 сек.)

Выбросы угля и газа происходят в весьма разнообразных условиях: на угольных пластах различной мощности, различными углами падения и глубиной залегания, при вскрытии угольных пластов и их разработке, при различных способах выемки угля. При этом важными характеристиками угольных пластов являются деформационные свойства угля (осн. показатели – модуль упругости и модуль сдвига) от которых зависит склонность пласта к накоплению потенциальной энергии за счет чего совершается разрушение и перемещение материала.

Подверженность угольных пластов внезапным выбросам угля и газа ограничивает возможность применения прогрессивных систем разработки, концентрации угледобычи и улучшения схем проветривания.

1. Анализ литературных источников

Для решения вышеизложенной проблемы необходимо четко определить причины ее возникновения. Для этого проведем анализ литературных источников, в которых тщательно исследовались вопросы о внезапных выбросах угля и газа.

Аршава В.Г., Медведев Б.И., и другие, [1, с. 13] утверждают, что внезапные выбросы начинают возникать только с определенных глубин, выше которых произошла, очевидно, разрядка тектонических напряжений. С глубиной разработки растет не только количество, но и интенсивность внезапных выбросов. Если в Центральном районе на глубине до 400 м. средняя интенсивность равна 91 т., то на глубине 600–700м. она составляет уже 120 т., а ниже гор. 700 м.— 376 т.

Д.т.н., проф., Ходот В.В. [2, с. 10] пишет, что «… в числе причин высокого уровня частоты внезапных выбросов угля, породы и газа различают причины не устранимые и устранимые. К числу первых относятся причины, связанные с углублением горных работ и увеличением давления газа, а также увеличением скорости подвигания горных выработок и ростом добычи угля. Разработка мероприятий по борьбе с внезапными выбросами должна быть направлена в первую очередь на нейтрализацию этих причин, к числу которых относятся причины организационного характера: недостаточный уровень производственной дисциплины, неудовлетворительное материальное обеспечение работ по профилактике динамических явлений и недостатки в развитии и внедрении результатов научно–исследовательских работ».

Чернов О.И. и Розанцев Е.С., [3, с. 55], отмечают, что большинство внезапных выбросов угля и газа, приурочено к зонам геологической нарушенности пластов. Проявление внезапных выбросов в угольных пластах различных бассейнов и месторождений на различной глубине от поверхности можно объяснить неодинаковой сложностью тектонического строения.

Никифоров А.В., Мхатвари Т.Я. и Колчин Г.И., [4, с. 33], указывают, что с геологическими нарушениями различного вида связанно большинство газодинамических явлений

М.И. Большинский [5, с. 6], отмечает, что внезапные выбросы угля и газа приурочены к зонам геологических нарушений. С усложнением тектонического строения шахтного поля, развитием мелких пликативных и дизъюнктивных нарушений опасность по выбросам возрастает. Наиболее опасными зонами являются участки 10–20 метровой ширины по обе стороны от дизъюнктивного нарушения.

Бобров И.В. и Кричевский Р.М., [6, с. 52], отмечают, что для большинства опасных пластов рабочей мощности, разрабатываемых в районе(рассматривается Центральный район Донбасса), характерно развитие тектонической перемятости угольных и породных пачек, образовавшихся в период формирования структуры главной антиклинали и при последующих геологических процессах.

Ю.П. Зубарев в своей статье «Геологические условия проявления внезапных выбросов угля и газа в Донецко–Макеевском районе Донбасса» [2, с. 250], отмечает, что одной из непосредственных причин внезапных выбросов является неравномерность напряженного состояния вмещающих пород, обусловленная неравномерностью сближений последних. Неравномерность же сближений вызвана изменчивостью физико-механических свойств и специфической нарушенностью вмещающих пород.

И.С.Сенченко в статье «Эффективность мер борьбы с выбросами в очистных и подготовительных забоях шахты «Капитальная»» [2, с. 441], пишет, что преобладающее большинство внезапных выбросов происходило на крутых пластах со слабым и перемятым углем.

Проанализировав эти, а также другие источники можно сказать, что среди наиболее важных факторов отмечаются влияние поля тектонических напряжений, особенности структуры породы и другие геологические факторы.

2. Тектонические разрывы

Тектоническими разрывами называются узкие щелевидные полости или совокупность таких полостей, которые расположены рядом и возникли в результате механического разрушения горных пород, вызванного развитием тектонических процессов (рисунок 1).

Рис.1 – тектонический разрыв сплошности горных пород.

Эти разрывы отличаются друг от друга протяженностью, глубиной проникновения в земную кору, ориентировкой, временем возникновения и так далее.

В настоящее время лишь часть разрывов имеют вид щелевидных полостей, обычно эти полости заполнены перемятыми породами, или минеральными зернами, выкристаллизовавшимися из просочившихся по разрывам подземных вод.

Различают следующие тектонические разрывы:

очень крупные, с амплитудой более 1000 м, протяженностью 100 км и более, являющиеся границами, районов бассейнов, месторож¬дений;
крупные, с амплитудой от 100 до 1000 м, протяженностью до 100 км;
средние, с амплитудой от 10 до 100 м, протяженностью до 10 км;
мелкие, с амплитудой от 3 до 10 м, протяженностью от сотен до 1000 м;
очень мелкие, с амплитудой до 3 м, протяженностью от десятков до сотен метров.

Разрывы менее 10 см являются трещинами, которые в противоположность разрывам, не смещают, а разбивают сплошность слоев (рисунок 2).

Рис.2 – трещиноватость горных пород в обнажении.

Среди трещин различают следующие группы:

эндогенные — возникающие из–за уменьшения объема горных пород в процессе их метаморфизма при диагенезе осадков и остывания озверженых пород. Образуют две взаимоперпендикулярные системы основную (параллельно направлению простирания пласта) и торцевую (параллельно направлению падения пласта);
экзогенные — образующиеся в результате действия тектонических усилий на, в основном, уже сформировавшуюся породу при образовании тектонических и складчатых структур;
трещины давления — возникают в связи с деформациями горных пород при проведении горных выработок и при очистных работах;
трещины выветривания — появляются на поверхности в результате химического и физического выветривания.

Определение ширины зоны влияния разрывных нарушений

3.1. О сущности определения ширины зон влияния тектонических нарушений

В.В. Белоусов в источнике [7, с. 55] отмечает, что как вязкие разрывы, надвиги рассеиваются по простиранию, и если можно это проследить, по падению и восстанию расщепляются на все большее число все меньших по амплитуде смещений. Вышеизложенное подтверждает возможность прогнозирования разрывных нарушений по изменению трещиноватости горного массива. В основу прогнозирования положен факт, что по мере приближения к нарушению частота трещиноватости увеличивается. Ряд исследователей для прогнозирования расстояния до разрывного нарушения пользуются относительной частотой трещиноватости. За относительную частоту трещиноватости берется отношение числа данной системы трещин к общему числу трещин, замеренных в одной точке замера.Частота проявления трещин определяется только для экзогенной группы трещин. В.А. Букринский и А.В. Михайлова[8, с. 76] установили, что величина относительной частоты трещиноватости по мере приближения к нарушению падает, достигая своего минимального значения, а затем ее значение резко увеличивается. Расстояние от точки наблюдения, где величина относительной частоты трещиноватости минимальна до нарушения считается зоной влияния нарушения на трещиноватость. Эта величина достаточно постоянна для различных районов. Так для южной зоны мелкой складчатости она находится в пределах 400–700 м. Для районов с открытым видом складок она равна 50–150 м. Кроме этого величина зоны влияния зависит от амплитуды самого нарушения. С увеличением амплитуды увеличивается величина зоны влияния нарушения. Отсюда, знание величины зоны влияния нарушения на трещиноватость дает возможность прогнозирования зон повышенной выбросоопасности в условиях Донецко–Макеевского района.

3.2. Методика определения частоты трещиноватости

В ряде источниках авторы предлагают различные методики определения частоты трещиноватости. Так например, Букринский В.А. и Михайлова А.В. [8, с. 88] пользуются понятием интенсивности трещиноватости, под интенсивностью трещиноватости понимают проявление какой–либо системы трещин и выражают количеством трещин, приходящихся на единицу длины, а Михайлов А.С. [9, с. 67] отмечает, что возможно относить количество трещин не только к единицы длины, но и к единицы площади.

При определении интенсивности трещиноватости в условиях Донецко–Макеевского района вполне возможно ограничится подсчетом числа трещин на единицу длины. Подсчет количества трещин, развитых на единицы длины менее трудоемок и занимает меньше времени, чем подсчет трещин на единицу площади, что весьма существенно в стесненных условиях очисного забоя.

Вышеизложенные данные позволяют приближенно прогнозировать расстояние до разрыва. Более точный прогноз можно осуществить на оновании изменения относительной частоты трещиноватости. В данном случае относительная частота трещиноватости определяется по формуле:

n=(ni–nв)/nв*100%,

где ni — частота трещиноватости в зоне влияния нарушения;

nв — частота трещиноватости вне зоны влияния нарушения.

Установлено, что непосредственно у нарушения относительная частота трещиноватости, по сравнению с ненарушенной зоной возрастает примерно на 70%.

Заключение

Установление соотношения между зонами влияния нарушения, зонами повышенной напряженности массива, которые формируются на некотором расстоянии от разрывных тектонических нарушений и зонами повышенной выбросоопасности создает предпосылки для исследования возможности прогноза выбросов угля и газа угольного массива*.

Список литературы

Аршава В.Г. и др. Внезапные выбросы угля и газа на шахтах и их предупреждение. – К.: Техніка, 1971. – 190с.
Сборник трудов V Всесоюзного научно–технического совещания по борьбе с внезапными выбросами угля и газа. – М.: Недра, 1969.– 455 с.
Чернов О.И., Розанцев Е.С. Предупреждение внезапных выбросов угля и газа в угольных шахтах. – М.: Недра,1965.– 210с.
Снижение субъективного фактора при борьбе с газодинамическими явлениями / Никифоров А.В., Мхатвари Т.Я., Колчин Г.И. // Уголь Украины. – 2011. – №2.
Большинский М.И. Теория внезапных выбросов угля, пород и газа. ЦБНТИ МУП УССР. 1993г.
Бобров И.В. Кричевский Р.М. Борьба с внезапными выбросами угля и газа.– К.: Техніка,1964 – 330с.
Белоусов В.В. Структурная геология. – М.: Госгеолтехиздат, 1971. – 277с.
Букринский В.А., Михайлова А.В. Изучение связи трещиноватости с тектоническими структурами горных пород. – М.: МИИРГЭМ, 1963. –; 96 с.
Михайлов А.Е. Полевые методы изучения трещин в горных породах. – М.: Госгеолтехиздат. 1956.–; 132 с.

————————

* Данная работа находится на этапе разработки, окончательное завершение планируется на конец декабря 2011 года.