Внезапные выбросы больших объёмов метана и разрушенного угля из массива пласта в призабойное пространство горной выработки приводят к материальным и людским потерям. Для защиты рабочих во время проведения выработок применяют региональные и локальные способы предотвращения внезапных выбросов. Считается, что выбросы можно предотвратить, дегазируя пласт и уменьшив опорное горное давление на пласт впереди забоя. Региональный способ, заключающийся в подработке или надработке опасного пласта, применяют для частичной дегазации пласта за счёт увеличения его газопроницаемости и уменьшения в нём давления метана. Локальные способы должны дегазировать призабойную часть массива пласта за счёт бурения передовых скважин, гидровымывания длинных полостей или образования комбайном пазов в пласте впереди забоя выработки. Производственный опыт шахт Донбасса, Кузбасса и Воркутского месторождения показал, что эти способы, во-первых, не всегда обеспечивают защиту работающих во время выполнения рабочих процессов в забое, и, во-вторых, не обеспечивают их защиту при выполнении противовыбросных мероприятий. Существующие способы предотвращения газодинамических проявлений разработаны в соответствии с энергетической и энергетически-силовой теорией внезапных выбросов. Угольный пласт рассматривается как однородный материал, имеющий постоянные структурно-механические свойства: прочность, упругость, пластичность, трещиноватость. Предпосылки разрушения пласта при внезапном выбросе рассматриваются с позиций механики сплошных сред.
Не вызывает ни у кого сомнения зональность внезапных выбросов. Однако пока нет достоверных методов прогнозирования выбросоопасных зон в пределах опасного пласта. Поэтому противовыбросные мероприятия выполняются на неопасных участках пласта. В результате повышаются затраты и снижается скорость проведения горных выработок.
Предлагаемые принципы и способы защиты рабочих в забоях подготовительных выработок от внезапных выбросов газа и угля основаны на знании природных закономерностей формирования и физико-химической структуры локальных объёмов угольного вещества, в пределах которых возможны газодинамические проявления в результате техногенного образования пустот в массиве и перераспределения горного давления (рис. 1).
В соответствии с генетической теорией [1] местоположение выбросоопасных зон может быть установлено на этапе геологических изысканий по результатам анализа слоевых отложений пласта на участках начала его расщепления во время геотектонических ритмов. Выбросоопасные зоны представляют собой линзообразные локальные участки малозольного угля. Физико-химические процессы формирования угольного вещества на этих участках отличались от процессов, происходивших на соседних участках. По нашему мнению, выбросоопасная зона – это генетически обособленный участок угольного слоя или пласта, в границах которого угольное вещество имеет аномальную молекулярную структуру, высокую пористость и метаноёмкость. Анализ показал, что в Воркутском месторождении серии внезапных выбросов метана и разрушенного угля произошли в области расщепления пластов «Мощный», «Тройной» и «Пятый», в Кузбассе произошли при расщеплении пластов «Владимировский» и «Кемеровский», а в Восточном Донбассе – пласта К2Н «Лисий».
При разработке локальных способов защиты рабочих от внезапных выбросов необходимо учитывать зональность и неравномерность накопления газа в пласте. Эти скопления газа отделены один от другого менее метаноёмкими, но более прочными и зольными слоями угля. На микроуровне, по данным А. Т. Айруни [2], угольное вещество имеет ячеистую структуру, в которой межагрегатное и межмолекулярное пространство заполнено газом (рис.2).
Неравномерность газонакопления в угольном пласте была установлена во время проведения штреков на пласте «Мощный». Выбросоопасным является средний слой пласта мощностью 0.2–0.25 м. Верхний и нижний слои невыбросоопасные и более прочные. На метаноносных пластах Воркутского месторождения и Кузбасса при комбайновой проходке выработок большое распространение получил способ, основанный на вымывании впереди забоя серии веерообразно расположенных длинных полостей водяной струёй под большим давлением. При внезапных выбросах выделялся большой объём газа, который, судя по размерам полостей выброса, находился в пласте перед выбросом под большим давлением. Высота полостей в пласте, образовавшихся после выброса разрушенного угля, часто была меньше мощности пласта. Граница полостей выброса располагалась на расстоянии 6–7 м от забоя выработки. Иногда полости выброса были расположены в целике между вымытыми полостями, которые должны были дегазировать призабойный массив пласта.
На рис. 3 представлены результаты одного из замеров, которые показали, что впереди забоя имеется некоторая область дегазированного пласта. Во время вымывания полостей граница начала интенсивного выделения газа проходит по линии а-б-в-г-д-е-ж. После последующих вымываний полостей конфигурация линии и расстояние её до забоя сильно не отличаются. За этой областью при вымывании полостей происходят удары в массиве, микровыбросы, наблюдается повышенная интенсивность выделения газа. Анализ результатов измерений и расчётов показал, что количество выделяющегося метана из угольных слоёв в пласте неодинаково.
Удары и микровыбросы происходили в среднем через 1,8 м по длине полости. Если считать, что количество выделившегося метана из разрушаемого угля во время гидровымывания и работы комбайна примерно равно метаноёмкости этих слоёв, то можно констатировать, что метаноёмкость слоёв на каждом участке обработки пласта неодинакова. В выбросоопасной пачке метаноёмкость изменялась от 4,9 до 103,5 м3/т угля, а в невыбросоопасных слоях – от 1,6 до 39,3 м3/т угля. Внезапные выбросы происходили на пласте «Мощный» при метаноёмкости выбросоопасного слоя более 50 м3/т угля.
На основании экспериментальных данных можно представить усреднённую схему расположения локальных скоплений газа в выбросоопасном слое (рис. 4).
Степень опасности, создаваемой локальными скоплениями, зависит от их размеров и давления газа.
Основным принципом защиты рабочих во время проходческих работ в связи с неравномерным распространением метана в пласте является создание дегазированной и разрушенной защитной (буферной) полосы впереди забоя выработки. При веерном расположении вымываемых полостей между ними остаются целики, ширина которых увеличивается от забоя в сторону массива. В целиках между полостями изменяются напряжения. У забоя целик находится в условиях одноосного сжатия, а в конце полостей – в условиях объёмного сжатия. Соответственно изменяется и прочность целика на раздавливание. Под тяжестью вышележащих слоёв породы целик будет раздавлен и дегазирован на расстоянии Lр от забоя при напряжении s больше критической величины sкр (рис. 5).
В качестве критерия эффективности дегазации необходимо принимать неснижаемое опережение разрушенных целиков, которые остаются между вымытыми полостями или выбуренными скважинами. В результате теоретических расчётов определено, что ширина разрушенной полосы впереди забоя выработки равна 7,3 – 10 м в зависимости от прочности выбросоопасного пласта, длины и диаметра вымываемых полостей. Чем больше диаметр полостей, тем меньше будет ширина целиков. Тем легче будут разрушаться эти целики в результате горного давления и шире будет полоса разрушенного и дегазированного выбросоопасного пласта. Однако с увеличением диаметра вымываемой полости увеличивается объём одновременно разрушаемого угля, увеличивается интенсивность выделения и увеличивается опасность внезапного выброса. С учётом неоднородности распределения метана в пласте диаметр вымываемой полости должен быть 20–30 см.
Как показали замеры на пласте «Мощный», газ начинал выделяться в забой вновь вымываемой полости из целиков при расстоянии 1,8–2,0 м между центрами полостей предыдущей серии. Это соответствовало расстоянию от забоя 10–11 м. Подвигание забоя выработки не должно превышать ширины разрушенной полосы. В результате экспериментов и расчётов было установлено, что подвигание забоя не должно превышать 50–60% ширины разрушенной полосы (рис. 6). Таким образом, после каждого вымывания для повышения безопасности рабочих необходимо оставлять неснижаемое опережение разрушенной полосы не менее 40–50% от дегазированной защитной полосы.
В настоящее время в качестве показателя эффективности обработки пласта впереди выработки применяется критерий ВостНИИ, основанный на сравнении измеренного объёма выделившегося метана с объёмом, заключённого метана в пласте. Однако из-за отсутствия достоверных данных о природной метаноносности пласта и невозможности определения границ дегазированного пространства такое сравнение не может являться критерием обеспечения безопасных условий в выбросоопасной зоне.
Наиболее незащищёнными являются рабочие, выполняющие бурение или вымывание скважин впереди забоя в недегазированной зоне. При вскрытии локальных скоплений газа повышается интенсивность его выделения или происходят микровыбросы пыли и газа. Рабочие, привыкая к частым микровыбросам, не успевают уйти из забоя при мощных выбросах. На шахтах для защиты этих рабочих скорость бурения скважин и вымывания полостей в соответствии с «Временной инструкцией…» [3] не должна превышать 0,5 м/мин. Однако для контроля скорости нет технических средств, и рабочие выбросоопасную ситуацию определяют по стукам в массиве, зажатию штанги, повышению концентрации метана в забое. Получается, что, обеспечивая безопасность проходчиков, рабочие во время выполнения профилактических работ сами остаются без должной защиты.
Основным принципом защиты рабочих во время внедрения в газоносный массив пласта является их вывод из забоя на безопасное расстояние и выполнение всех операций при помощи автоматических манипуляторов с дистанционной или интерактивной системой управления. Гидровымывание полостей осуществляется специальной насадкой, которая одновременно служит рабочим органом и датчиком интенсивности выделения метана в забой полости [4]. Контроль выделения метана осуществляется в результате формирования вакуумной зоны, создаваемой эжекцией рабочей струи воды. Применение гидромониторной насадки с кольцевым рабочим отверстием обеспечивает непрерывный контроль давления метана в полости возле насадки и передачу соответствующего сигнала в любую точку вне забоя для визуального наблюдения и формирования сигнала управления на продолжение, замедление или полное прекращение операции гидровымывания. Предлагаемый способ контроля давления метана и дегазации пласта позволяет автоматизировать весь процесс вымывания передовых полостей и вывести людей из забоя на безопасное расстояние при работе в выбросоопасной зоне. В забоях выработки наиболее целесообразно применять автоматические манипуляторы с дистанционной или интерактивной системой управления (рис. 7).
Таким образом, основные элементы автоматизации гидровымывания передовых полостей – рабочий орган и датчик для управления манипулятором – разработаны и опробованы в производственных условиях. До разработки конструкции автоматического агрегата для гидровымывания полостей рекомендуется применять насадку с вакуумманометром. Это позволит во время нахождения рабочих в забое непрерывно контролировать газовыделение и предотвращать внезапные выбросы.
Выводы
В результате теоретических и экспериментальных исследований установлено, что основными принципами защиты рабочих в забоях подготовительных выработок в выбросоопасных зонах являются:
- создание буферной полосы (подвигание забоя выработки производить в пределах неснижаемой разрушенной и дегазированной полосы);
- непрерывный контроль интенсивности выделения метана из дегазируемого массива и регулирование подачи рабочего органа;
- применение манипуляторов с дистанционной или интерактивной системой управления для автоматизации управления газовым состоянием угольного массива и вывод людей на безопасное расстояние во время выполнения профилактических мероприятий.
Литература
- Колесниченко Е. А. Генетическая теория формирования и прогнозирования выбросоопасных зон в угольных пластах: Уголь. – 2000.
- Айруни А. Т. Прогнозирование и предотвращение газодинамических явлений в угольных шахтах. – М.: Наука, 1987. – 310 с.
- Временная инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа. МУП СССР. – М.: ИГД им. А. А. Скочинского. 1983. – 236 с.
- Колесниченко Е. А. Геологические условия формирования выбросоопасной зоны в угольных пластах и основные принципы предотвращения внезапных выбросов: Горная промышленность. – 2000.