Источник: Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: «Гірничо–геологічна». Випуск 72.—Донецьк, ДонНТУ, 2004.—198 с.
Первый выброс песчаника и газа в горизонтальной выработке, описанный в отечественной горнотехнической литературе, произошел 03.08.55 г. на шахте № 1–5 «Кочегарка» ПО «Артемуголь», а в вертикальной выработке 16.11.56 г. при проходке ствола «Нового» на шахте № 17-17-бис ПО «Донецкуголь» [1, 2]. Они не сопровождались травматизмом, к существенному осложнению ведения горных работ не привели и потому не привлекли необходимого внимания научно-технической общественности.
В начале шестидесятых годов целая серия выбросов песчаников и газа буквально парализовала строительство шахты «Щегловка-Глубокая». За период с 1962 по 1965 г. здесь произошло 70 выбросов породы интенсивностью от 25 до 2100 т [3].
В дальнейшем на глубинах 700–1300 м при подготовке новых горизонтов число выбросоопасных слоев и выбросов песчаников в Донбассе непрерывно растет. Это приводит к снижению темпов проведения полевых выработок, выделяющийся во время выбросов метан и его гомологи создают угрозу взрывов.
С 1965 г. МакНИИ и ВНИМИ впервые приступили к выполнению НИР по проблеме выбросов породы и газа. Отдел ВНИМИ, возглавлявшийся известным специалистом по горным ударам д.т.н. Петуховым И.М., в первом же отчете (1966 г.) поспешно назвал явление горными ударами. С позиций общепризнанного тезиса акад. А.А. Скочинского о трех факторах, в совокупности определяющих формирование выбросоопасности, возник принципиальный вопрос о генезисе газа. В соответствии с господствовавшими в то время представлениями о том, что за миллионы лет существования осадочных массивов Донбасса по природной газоносности все давным-давно должно уравняться, ответ был очевиден: газы фильтровались-передвигались в песчаники из угольных пластов, от которых до выбросоопасных песчаников иногда всего около метра.
Этот вопрос ни теоретически, ни по данным лабораторных экспериментов не решался, и поэтому МакНИИ выполнил комплекс шахтных экспериментов, включавший определения природной газоносности песчаников больших глубин; газопроницаемости напряженного породного массива вне зоны влияния горных работ; измерения давления и состава газов в выбросоопасных песчаниках и во вмещающихся ими угольных пластах на геометрически идентичных участках и т.п. [3–5]. Оказалось, что давление газов в выбросоопасных слоях песчаников и в выбросоопасных угольных пластах различается в несколько раз, иногда на порядки; давление газов и их состав в камерах одних и тех же скважин неодинаковы; содержание газов и состав водных растворов различаются на один и даже более порядков и пр. Был сделан принципиально важный для решения проблемы выбросов песчаников и газа вывод: газ выбросоопасных песчаников связан с ними генетически.
Одновременно с этим МакНИИ был разработан способ прогноза трех степеней выбросоопасности (высокой, средней и невысокой), основанный на разделении кернов скважин при колонковом их бурении в направлении проведения выработок на диски выпукло-вогнутой формы, число которых на 1 м скважины и определяет степень их выбросоопасности.
Надежность способа была доказана почти тридцатилетним опытом его применения на шахтах Донбасса [6, 7]. В частности, только в 2003 г. оно имело место на ш. «Щегловка-Глубокая» ШУ «Донбасс», где 04.02.03 произошел выброс песчаников и газа интенсивностью 140 т, при котором выделилось 240 м3 метана.
В этот же период времени МакНИИ и ИГТМ АН Украины (Забигайло В.Е., Лукинов В.В.) разрабатывают и испытывают способ регионального прогноза выбросоопасности песчаников и газа [7, 8, 9]. Он позволил доказать, а практика это подтвердила, что такие выбросы исключены в геолого-промышленных районах, где разрабатываются пласты, степень метаморфизма угля которых характеризуется Vdaf<15% и комплексным показателем метаморфизма М>28,9.
Все выбросы песчаников из-за высокой их прочности происходят только при буровзрывном способе разрушения пород. Было установлено, что полости, образующиеся во время выбросов породы и газа, не влияют на устойчивость выработок, а подвигание за цикл производства буровзрывных работ, как правило, превосходит длину шпуров, иногда даже в несколько раз. Все это предопределило возникновение и развитие в МакНИИ нового направления уменьшения технико-экономического ущерба и опасности при проведении выработок в выбросоопасных песчаниках – локализацию выбросов породы и газа, или уменьшение их интенсивности [3, 6, 7].
Наряду с этим совершенно очевидной была необходимость создания и способов предотвращения выбросов. Проблема МакНИИ и ИГТМ решалась укрупненно как бы в двух направлениях. МакНИИ разрабатывал способы предотвращения выброса, основанные на щелевой разгрузке [3, 6, 7]; ИГТМ ориентировался на создание специального (полусферического) исполнительного органа, который позволял бы предотвращать выбросы при безвзрывном (комбайновом) проведении полевых выработок с оптимальной скоростью. Машиностроителями были созданы и на шахтах им. Скочинского, им. Стаханова, им. XXV съезда КПСС применены проходческие комплексы «Ясиноватец», «Союз-19», комбайны ПКН, КРТ и др., разрушение пород которыми производилось по всей площади забоя, когда доступ к нему оказывается весьма затруднительным.
Решения первого направления были весьма трудоемкими, они не могли быть рекомендованы для повседневного применения. Реальным было их использование в исключительных, неординарных условиях. Решения второго направления оказались громоздкими, мало технологичными, экономически неприемлемыми, особенно если учитывать ограниченную протяженность проведения выработок по песчаникам вы- сокой степени выбросоопасности.
Современным этапом решения проблемы безопасного проведения полевых выработок, которому как вполне перспективному, мало исследованному и посвящена данная стaтья, было применение для предотвращения выбросов комбайнов избирательного действия (КСП-42), предложенное по инициативе коллектива инженер– но-технических работников ш. «Красноармейская-Западная № 1» (А.И. Демченко, В.П. Варвашенко и др.).
Начиналось оно с того, что в соответствии с нормативными требованиями [7] при проведении конвейерного и вентиляционного ходков блока №8 по выбросоопасному песчанику комбайном КСП-42 необходимо было бурить колонковые разведочные скважины для оценки степени выбросоопасности песчаников. На стадии доразведки поля ш. «Красноармейская-Западная №1» (1988–96 гг.) при бурении нескольких геолого-разведочных скважин в песчаниках над и под пластом d4 было отмечено наличие выпукло-вогнутых дисков.
По данным шахты общий объем бурения скважин с целью определения степени выбросоопасности в 1991–2003 гг. составил 6720 м. Делается вывод о том, что песчаники до глубины 600 м невыбросоопасны. Ниже 600 м они обладают низкой степенью выбросоопасности, а в локальных линзах и прослоях — средней степенью выбросоопасности. Но существующий нормативный способ прогноза степени выбросоопасности не позволяет эффективно, т.е. без значительных материальных зaтрат, обусловленных необходимостью бурения разведочных скважин, использовать установленную невысокую степень выбросоопасности песчаников.
Чтобы исключить необходимость бурения большого объема разведочных скважин и при этом сохранить достаточный уровень безопасности, ДонНТУ совместно с МакНИИ разработал современный способ прогноза выбросоопасности песчаников, основанный на автоматической регистрации акустических сигналов породного массива и пригодный (технологичный) при выемке пород комбайном избирательного действия. На способ подготовлена совместная заявка на изобретение, на шахте успешно осуществляется его промышленная проверка (пока это ноу-хау двух институтов).
Реальность проведения полевых подготовительных выработок (в частности, комбайном КСП-42) в условиях, когда прочность пород нередко достигает f?10, позволяет полагать, особенно с учетом результатов исследований примерно последних 5–7 лет [11, 12], возможность в дальнейшем предотвращения выбросов угля (породы) и газа за счет изменения порядка выемки угля (породы) в забоях полевых выработок и выработок, проводимых смешанным забоем.