Источник: "Уголь - Украины" выпуск № 1 - 2 в феврале 2009 года.
Внезапное выдавливание (отжим угля) – это быстропротекающее смещение угольного массива в выработку без отброса угля; образование полости, заполненной разрушенным крупнокусковатым углём, глубина которой меньше её ширины; наличие пустот, зияющих трещин и щели между кровлей и пластом; относительное газовыделение меньше разности между природной и остаточной газоносностью выдавленного угля. Поражающим фактором является механическое воздействие отжатого угля.
Понятие отжима имеется, но нет методики её определения. И по этому поводу вышла статья, которая была опубликована в журнале ”Уголь - Украины“ под названием “Способ прогнозирования выбросоопасности призабойной части угольного пласта”. Краткий анализ многолетнего опыта создания и применения различных методов прогноза выбросоопасности доказывает необходимость разработки и использования, нового, кроме регионального, способа оценки выбросоопасности призабойной части пласта, который и обосновывается.
Локальность (зональность) выбросоопасности неоднократно вскрывалась, доказывалась, объяснялась со времён активной творческой деятельности профессора, доктора технических наук Быкова Л.Н., академика Скочинского А.А. К началу семидесятых годов 20 столетия был накоплен достаточно представительный опыт разработки выбросоопасных пластов, позволивший создать региональный способ прогноза выбросоопасности угольных пластов и песчаников. Удалось рассчитать долю площади реально выбросоопасных участков, то есть на которых выбросы угля и газа произошли. 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.
Достоверность и высокую актуальность вывода в современных условиях подтверждают два следующих объективных положения:
Это, в соответствии с установленной ранее зависимостью вероятности возникновения выбросов угля и газа от степени его метаморфизма, определяет практическую реальность закономерности природного уменьшения доли выбросоопасности и ещё большую необходимость непрерывного прогноза выбросоопасности призабойной части угольных пластов, в том числе впервые учитывающего и фактор времени при его применении.Безусловным достижением Макеевского научно- исследовательского института, Минуглепрома Украины является утверждение стандарта отрасли [6], заменившего «Инструкцию…» [7], действовавшую в Украине со времён Советского Союза.
В [6], к сожалению, почти в неизменном виде содержится текущий прогноз выбросоопасности зон по абсолютным значениям начальной скорости газовыделения. Разработен он был ещё более 50 лет тому назад. Его недостатки, приведшие к неединичным ошибкам, в том числе сопровождавшихся смертельным травматизмом, публиковались неоднократно [3, 4]. Следует особо подчеркнуть, что названный способ никогда не прогнозировал выбросоопасность зон, если понимать под ними, всё-таки, размеры по простиранию, падению, восстанию пласта.
К концу 70-х годов Макеевский научно-исследовательский институт 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 её абсолютных значениях, содержался в [7] и включен в отраслевой стандарт [6]. Область применения его теперь расширена. Способ может применяться не только в лавах, но и в отдельных случаях, по согласованию с Макеевским научно-исследовательским институтом, 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 в том числе на принятой в 70-е годы прошлого столетия большинством горно-технической общественности представлении о возможной проницаемости призабойной части пласта. Дальнейшее, более детальное, углублённое, особенно экспериментальное изучение особенностей изменчивости распределения водогазовых растворов привело к выводу об отсутствии водогазопроницаемости не только отдельных блоков шахтопластов, но и их призабойной части [1, 2, 4, 5]. Прежде привычный термин газовыделение ассоциировался со способностью угольного пласта пропускать, фильтровать через себя водогазовую смесь. Эта способность называется проницаемостью и имеет место только при наличииперепада давления. Но в тонкопористом от природы водогазоносном пласте перепада давления нет, хотя давление газов в пластах и измеряется [2, 3, 4, 5]. Наряду и одновременно со справедливостью сказанного водогазовыделение из призабойной части пласта, из пробуренных в ней шпуров происходит, регистрируется. Процесс этот по физической сущности полностью идентичен выделению (“испарению”) воды (растворов) в лабораторных условиях из непроницаемого куска породы, отторгнутого от напряжённого массива. Ещё более наглядна идентичность названного “испарения” процессам, происходящим, например в деревьях. Уже школьникам известно, что корни деревьев по капиллярвм снабжают листву питательными растворами. Но если дерево спилить, то непроницаемая, например берёза, реализуя процесс водоотдачи, высохнет. Процессы движения растворов обусловливаются капиллярными, Ван-дер-Ваальса силами. В соответствии с результатами исследований [4, 5, 8, 9] 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 10-7 м водные растворы выделяются-испаряются в связи с уменьшением капиллярных сил, которое имеет место при увеличении диаметра капилляров-уравнение Лапласа [9].
Для практического применения, пусть даже пока ограниченного, в научных целях предлагаем наряду с привычным термином газовыделение использовать, в том числе и термин «капиллярная водогазоотдача», который будет характеризовать газовыделение из практически непроницаемого, миллионы лет находившегося в сложном объёмном сжатии, но теперь разгруженного угольно-породного массива.
В новом стандартные отрасли [6, с.2] перечень известных ранее газодинамических явлений (ГДЯ) справедливо дополнен выдавливаниями (отжимами). Инструментального или другого способа измерения их глубины стандарт не содержит, что и определяет практическую необходимость его разработки [10].
Но прежде чем о сущности разработки, приведём две группы замечаний о недостатках изложения природы выдавливаний (отжима) в [6].
Во-первых, неопределённая трактовка очень непростого рассматриваемого явления. На с.2 это ”выдавливания (отжимы) угля“ со ссылкой на приложение А. Но в последнем (с. 136) это уже “внезапное выдавливание”.
На с.3 (4. 2. 1) ”внезапным выдавливаниям“, а в (4. 2. 2) на этой же странице “и выдавливаниям угля”. На с. 6 (4. 2. 7) : ”К угрожаемым по внезапным выдавливаниям угля относят…“.
Во-вторых, в приложении А (с.136) констатируется, что отжим – это “Быстропротекающее смещение угольного массива, в выработку без отброса угля; образование полости, заполненной крупнокусковатым углём…”. Два последних признака, по нашему мнению, явыляются только частным случаем отжима, характерным для маломощных (примерно менее 0,8 – 1,0) шахтопластов. Доказывают достоверность нашего утверждения шахтные эксперименты, в частности, выполненные ещё в конце семидесятых годов прошлого столетия в лаве особо выбросоопасного шахтопласта l8' мощностью более 2,5 м шахты № 21 - бис ПО ”Макеевуголь“ [3]. Вней способы предотвращения выбросов угля и газа не применяли. По динамике газовыделения при длине измерительных скважин диамеором 42 мм глубиной 5 м, распологавшихся в верхней инижней нишах, а также по лаве через 9,5 м, измеряли поинтервально начальную скорость газовыделения для определения нормативной безопасной зоны разгрузки, lб, м. При подвигании лавы около 100 м не измерено ни одного снижения gн ни в лаве, ни в верхней нише. В нише, примыкающей к угольному массиву, снижение газовыделения имело место при глубине шпуров 4 м. Полости в призабойной части лавы никогда не регистрировались.
В заключении этой статьи, относящейся к зничимости глубины зоны отжима, должны напомнить современному читателю, что ещё более чем 50 лет тому назад доказывалось: при выемке угля в лавах пластов мощностью примерно 1,8м 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 напряжений впереди движущегося забоя подготовительной выработки начальная область их роста от призабойной части пласта в глубину массива будет характеризовать глубину разгрузки, то есть отжима угля. Во всех толковых словарях, в том числе и горной энциклопедии издания 1989 года, отжим однозначно определяется как выдавливание угля в сторону выработанного пространства (с.19, т.4). Очевидно, что происходит оно всегда во время перераспределения напряжений, имеющем место при выемке угля. Именно ей присуща пониженная напряжённость (рис. 1) и, следовательно, повышенная склонность к газоотдаче – газовыделению. Из-за того что рост природной газоносности от забоя в глубину массива подчиняется прямолинейной зависимости, ей же будет соответствовать и рост скорости газовыделения из шпуров по мере их углубления справедливость последнего положения доказана многочисленными шахтными экспериментами [3, 4, 5].
В начале 21 столетия экспериментальные исследования группы специалистов Украины доказали, что на больших глубинах проявляются неизвестные ранее свойства углепородных массивов: склонность к деформациям генетического возврата (ДГВ) при разгрузке. Они достаточно широко опубликованы [5, 9, 11, 12], а в журнале “Уголь Украины” № 2 - 3 за 2001 год названы на обложке.
На научную идею № А - 297 в 2004 году получен диплом Российской академии Естественных наук на открытие [13]. В зоне отжима ДГВ стимулируют капиллярную водогазоотдачу. Прекращение роста газовыделения происходит не из-за достижения области нулевой проницаемости, как это предполагалось нами ранее, а из-за достижения уровня напряжённости, 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 интервала падения к разгруженной зоне lб, должна быть названа глубиной отжима hотж, м
hотж=(lб – 0,3), м
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 доказывается достижением значений временного критерия Кв>5, рассчитываемым по результатам фактических измерений:
Кв= gн/gt,
где gt – скорость газовыделения, измеренная через 3 минуты после измерения gн, л/мин. Допустимая глубина выемки (lв, м) определится как:
lв=( hотж-1), м
Схема расположения контрольных шпуров сохранятся соответствующей нормативным требованиям [6].