CC BY
0УДК 622.261.2: 622.831.322
д.т.н. Калякин С. А., д.т.н. Лабинский К. Н., Азаматов Р. И.
(ДонНТУ, г. Донецк, ДНР)
ЛОКАЛИЗАЦИЯ ВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСОВ В ЗАБОЯХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
ПРИ СОТРЯСАТЕЛЬНОМ ВЗРЫВАНИИ
Изучен процесс локализации внезапного выброса угля и газа насыпными породными перемычками в забоях проводимых подготовительных горных выработок на выбросоопасных угольных пластах при сотрясательном взрывании. Определены параметры внезапного выброса и необходимые для защиты горной выработки от действия газо-угольного потока параметры защитной перемычки. Установлена необходимая толщина породной перемычки для защиты горной выработки и локализации внезапного выброса при сотрясательном взрывании в подготовительных забоях горных выработок, проводимых по смешанным выбросоопасным забоям.
Ключевые слова: аналитические исследования, газовый клатрат, газо-угольный поток, защитная породная перемычка.
ISSN 2077-1738. Сборник научных трудов ГОУ ВПО ЛНР «ДонГТУ» 2018. № 10 (53)
Науки о земле
Проблема и её связь с научными и практическими задачами. Наиболее распространённым способом разрушения пород при проведении горных выработок остаётся буровзрывной, а по выбросоопасным пластам этот способ реализуется в специальном режиме сотрясательного взрывания. Этот вид взрывных работ позволяет проводить подготовительные горные выработки сравнительно безопасно и обеспечивать воспроизведение и подготовку необходимого фронта очистных работ на выбросоопасных угольных пластах. Однако правила безопасности ограничивают длину заходки по углю на выбросоопасных пластах длиной не более 2 метров, так как в противном случае резко возрастает вероятность внезапного выброса угля и газа, что может привести к повреждению крепи выработки, оборудования, интенсивным обрушениям горных пород, что в целом делает горную выработку аварийной и непригодной для эксплуатации.
Анализ ведения буровзрывных работ при сотрясательном взрывании показывает, что перспективным направлением повышения эффективности буровзрывной технологии является использование в забое специальных насыпных породных пе-
ремычек, которые искусственно создаются в процессе проведения взрывных работ управляемым отбросом разрушаемой при взрыве породы и позволяют защитить горную выработку от возможного внезапного выброса угля. Поэтому исследования по отработке параметров технологии взрывных работ, позволяющих создавать такие защитные перемычки, являются актуальными и имеют важное научное значение.
Анализ последних исследований и публикаций показал, что при внезапном выбросе угля и газа происходит крайне быстрое разрушение призабойной части массива горных пород, их отторжение и формирование газо-угольного потока, быстро движущегося по выработке. Вследствие быстроты газодинамических явлений и их разрушающего действия на оборудование, крепь горных выработок, а также возможности создавать в выработке сильные ударные волны этот процесс характеризуют как газодинамический взрыв [1]. Поэтому при сотрясательном взрывании используются паспорта БВР, которые характеризуются не только выбором ВВ, расстоянием между смежными шпурами, взрываемыми с оптимальным временем замедления, но и специальными приёмами
Науки о земле
ведения взрывных работ. Одним из таких приёмов является проектирование таких параметров взрывания врубовых и отбойных шпуров и в такой последовательности, чтобы разрушенные породы при их отбросе формировали в забое насыпные перемычки для борьбы с выбросами, провоцируемыми при сотрясательном взрывании. В настоящее время «Инструкция по применению сотрясательного взрывания в угольных шахтах Украины» [2] рассматривает только способ проведения горных выработок по выбросоопасным породам с опережающим забоем уменьшенного сечения, когда взрывные работы выполняются как в опережающем забое, так и в отстающем за ним забое в один приём. При этом необходимо, чтобы отбитая порода отстающего забоя полностью перекрыла сечение опережающего забоя. Для уменьшения интенсивности и частоты выбросов предусматривается определённая последовательность отбойки породы забоя для создания защитной породной перемычки. Вместе с тем параметры такой защитной породной перемычки в данной «Инструкции ...» на угольных шахтах не оговорены. Поэтому обоснование параметров защитных породных перемычек для локализации внезапных выбросов при сотрясательном взрывании крайне важно.
Постановка задачи. Задачей данной работы является обоснование параметров насыпных породных перемычек для локализации внезапных выбросов угля при сотрясательном взрывании в смешанных забоях подготовительных горных выработок, проводимых по выбросоопасным угольным пластам.
Изложение материала и его результаты. Наиболее легко насыпные перемычки создаются для выбросоопасных угольных пластов при проведении смешанных забоев взрыванием за один приём, когда угольный пласт находится у почвы выработки (рис. 1). При этом в первую очередь взрывают шпуровые заряды ВВ в верхней породной подрывке, которые разрушают породы и формируют над угольным пла-
стом защитную противовыбросную перемычку необходимой толщины. После этого взрывают шпуровые заряды по углю, которые могут провоцировать внезапный выброс. Однако данный выброс будет локализирован защитной перемычкой. Вместе с тем следует дать обоснование необходимой толщины насыпной перемычки, исходя из объёма разрушаемых пород и «силы» возможного внезапного выброса угля и газа.
Рисунок 1 Схема формирования насыпной противовыбросной перемычки:
1 — угольный пласт; 2 — шпуры по углю;
3 — насыпная перемычка из разрушенной породы верхней подрывки
На начальном этапе следует оценить предельную силу внезапного выброса и обосновать параметры, которые нужны для определения необходимой толщины защитной перемычки. В соответствии с исследованиями, проведёнными в работах [3, 4], начальное состояние макромолекулы выбросоопасного угля определено его составом, химическим строением и энергией образования ^обр). Конечное состояние, в которое может перейти макромолекула угля, связано с разрывом связей в молекуле и образованием новых связей, сопровождающихся выделением или поглощением энергии и изменением состава. Предельный случай изменения структуры макромолекулы угля при генерации углеводородов можно описать уравнением реакции его разложения. Рассмотрим протекание физико-химического процесса меха-нохимической перестройки макромолеку-
Науки о земле
лы на примере угля марки Ж пласта 11 шахты им. А. Ф. Засядько, приводящего к генерации углеводородов по следующему уравнению реакции [3]:
С71,75 Н54,0О4,625
о 4,625H2O +
+11,1875CH4 + 60,5625с*™.
(1)
гр-
Теплота образования угля марки Ж пласта 11 равна Qc,бр = 802,4 кДж/кг. Удельная
теплота, которая выделяется в результате реакции (1), равна QV = 1153,54 кДж/кг, а температура продуктов реакции Тпр = 662,3 К . Этот процесс быстротечен,
и энергия реакции расходуется на преодоление сдвиговой прочности вещества угольного пласта, разрушение угля и образование газо-пылеугольного потока [3].
На основании шахтных измерений продолжительности выбросов угля и газа И. В. Бобровым [5] было установлено, что скорость разрушения угля при выбросе составляет до 10 т/с. Этот факт и уравнение разложения угольного вещества (1) позволяют определить основные газодинамические параметры выброса газа в выработку. Для описания состояния газовых включений и определения внутреннего давления в выбросоопасном угольном пласте было использовано уравнение реального газа в вириальной форме [6]. Для реальных газов при высокой плотности это уравнение имеет следующий вид:
Рк = NRTрк (1 - е\
1 + + 0,625 \ + 0,287+ 0,193 \
Vy
V2 y
V3 y
V4 y У
(2)
где N — количество молей газообразных продуктов реакции; R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура; рк — плотность клатрата угольного пласта;
£ — относительная доля конденсированной фазы в клатрате;
¿0 — второй вириальный коэффициент для газа;
Vy — объём для «упаковки» молекул
газа в клатрате угольного пласта.
Газ, заключенный в угольном клатрате, оказывает давление, направленное на разрыв клатрата изнури. Разрыву газового клатрата препятствует давление вещающих пород и предел прочности на разрыв. Оценка устойчивости газового клатрата в угольном пласте при разрушении угля в таком случае представляет собой обобщенное условие:
Рк - Рг ф]р,
(3)
где Рк — внутреннее давление газа в клатрате угольного пласта;
Рг —давление вмещающих пород на угольный пласт;
[о]р — предел прочности угля на разрыв.
По уравнению (2) можно определить внутреннее давление газа в клатрате угольного пласта. Так, если принять плотность метастабильного газографитного клатрата после перестройки макромолекулы угля рк =1075 кг/м3, а абсолютную температуру угольного вещества Т=300 К при £ =0,66 (доля конденсированной фазы), то остальные величины могут быть получены исходя из уравнения (2) и данных термодинамических свойств газов [7]. Для расчёта принято:
- удельный объём газографитного клат-
1 3 рата Vк = — = 930,23 см3/кг;
рк
- удельный объём каркаса клатрата из атомов углерода:
Vyг =5,3 • 55,2375=292,76 см3/кг;
- удельный объём для «укладки» молекул газа в клатрате Vy = Vк - Vук = 637,47 см3/кг;
- собственный удельный объём молекул газа:
¿0 =Е = 33,95 • 4,625 +13,62 • 5,325 +
3
+18,63• 0,7 + 8,3• 10,4875 = 329,63 см /кг;
Науки о земле
- отношение
bL = 32^ = 0,517. Vy 637,47
Подставляя все значения в уравнение (3), получаем внутреннее давление газа в клатрате угольного пласта:
Рк =3,3481 • 107Па.
Согласно условию (3), если происходит разгрузка пласта, напряжение, передаваемое породами на угольный пласт, снижается и стремится к нулю, тогда при выполнении условия Рк > \о\р газовый клатрат в угольном веществе разрушается. В этом случае сплошность угольной среды нарушается и образуется газоугольный поток, движущийся в направлении свободного объёма выработки. Плотность этого потока (рп) для адиабатического процесса истечения газа может быть определена по формуле:
(
Рп = Рк
X
П
V рк У
где уп — показатель адиабаты для смешанного метано-угольного потока, определяемый по формуле:
Уп = 0,66угр + 0,34уГ ; у = 0,66 • 1,05 + 0,34 • 1,342 = 1,15.
Принимаем, что при сдвиговой деформации угольного вещества критический предел его прочности на разрыв мало отличается от сдвиговой прочности угля. Средний предел прочности на разрыв для угольного вещества [о]р=1,0 МПа. Тогда плотность газоугольного потока при выбросе рп =50,68 кг/м3. Если выброс происходит в подготовительной горной выработке, и скорость разрушения угля в пласте принять равной 10 т/с, то скорость газоугольного потока (ип) можно устано-
вить из уравнения:
10000
ип -:
Smpn
м/с,
где S пл — критическое сечение угольного пласта, через которое истекает газоугольный поток: Sпл = 0,5 Втпл ;
В — ширина выработки по почве пласта, м;
т пл — средняя мощность пласта, м.
Для пластов средней мощности, равной 1,5 м, можно принять Sпл = 4,0 м2. Тогда средняя скорость газоугольного потока у забоя выработки составит:
и.
= 10000/(4 • 50,68) = 49,33 м/с.
За единицу времени угольный поток при истечении займёт объём выработки, равный:
Vгв SB4Un
900, м3
где S вч — сечение выработки вчерне, м2; принято Sвч =18 м2.
Объём газа, который выделяется за это время из угольного вещества в объёме выработки, равен:
Vга3а = 10 • 473,48
4750м3
Для адиабатического процесса расширения газа его давление будет равно:
P = Р
г а
V,,
\Гг
V
V гв У
= 1,02 • 10
5
4750 900
Ч 1,342
106 Па.
Скорость расширения газа может быть установлена из риманского решения основных уравнений гидродинамики [8]. Это решение основано на предположении, что иг=ф(¥г), где ¥г — удельный объём газа, и г — скорость газа. Для идеального газа в работе [8] получено решение этого уравнения:
иг = и0 +
2
7г " 1
(с - С0) ,
(4)
где и 0 — начальная скорость газа; С — скорость звука в расширяющемся газе;
Науки о земле
С 0— скорость звука в невозмущенной атмосфере, С 0 =340 м/с.
При истечении газа в атмосферу его скорость звука может быть найдена из вы-
ражения:
С = 340
fR\
с
Р
V а У
Гг-1 2Гг
(
= 340
106
ч 0,1274
v 1,02 • 105 У
= 453 м/с.
По уравнению (4) находим скорость расширения газа: иг =708,1 м/с.
Скорость расширения газа сверхзвуковая, поэтому в выработке газ начнёт сжимать воздух, и в нём образуется ударная волна. Давление ударного сжатия воздуха во фронте волны равно:
Р„ = ^ р„иг2 =
ув
2
14 +1 2 5
= ---1,253 • 708,12 = 7,5 • 105 Па,
2
где ув, рв — показатель адиабаты и плотность шахтного воздуха соответственно.
Скорость ударной волны в воздухе определяется по формуле
(
Дув = 315,4
1,46245 + -
Р„„ ^
Р
= 925 м/с,
а У
а температура ударного сжатия газа во фронте ударной волны равна:
Тф = Т0 -12,061 + 0,03436Дув +
\ф- 10 . ув
+4,4974•Ю-4Д2в -6,872• 10-8Д3ув = 650 К.
Результаты аналитических исследований показали, что выброс угля и газа имеет взрывоподобный характер, аналогичный взрыву, в результате которого в выработке образуется мощная ударная волна.
Таким образом, нами установлены все параметры метано-угольного потока при внезапном выбросе угля и газа. Эти пара-
метры позволяют установить объёмную плотность энергии потока, равную половине произведения плотности метано-угольного потока на квадрат скорости его движения. Для надёжной насыпной породной перемычки выбран параметр, определяющий её защитное и локализирующее действия в виде веса, определяющего её инерционные свойства при сопротивлении действию потока при внезапном выбросе:
Р^пРпЕ.
Тогда для локализации внезапного выброса необходимо выполнение условия, когда перемычка утилизирует всю энергию потока за счёт своих инерционных свойств. Это позволяет получить уравнение для толщины породной перемычки (А):
А = m„
1
Р
u1 F
пот. пот. пл.
2VnRpRc pg
(5)
где тпл. — мощность пласта, м; рпот. — плотность газоугольного потока при выбросе, кг/м3;
ипот. — скорость газоугольного потока при выбросе, м/с;
7- 2
^пл. — площадь пласта, м ; Vп — объём породной перемычки, необходимый для сопротивления выбросу, м3; Кр — коэффициент разрыхления породы; Кс — коэффициент трения-сцепления кусков разрушенной породы; рп — плотность породы, кг/м3; g— ускорение свободного падения, §=9,81 м/с2.
Для принятых условий и параметров внезапного выброса по уравнению (5) сделан расчёт толщины породной перемычки для локализации внезапного выброса угля и газа. Для приведённых выше значений параметров и длины шпуров 2 м при сотрясательном взрывании определено, что толщина породной перемычки должна быть не менее 0,5 метра. Это вполне достижимое значение толщины перемычки даже с учётом отброса породы при взрывных работах.
0,49305
Науки о земле
Формирование насыпной противовыб- выработки от действия газо-угольного по-
росной породной перемычки необходимой тока параметры защитной перемычки. толщины при проведении выработок по Предложена последовательность взрыва-
выбросоопасным пластам может обеспечи- ния шпуров в смешанном забое при сотря-
ваться использованием подвесного экрана сательном взрывании, предусматривающая
из отрезков конвейерной ленты, что позво- первоочередное взрывание пород верхней
лит предотвратить чрезмерный разлет по- подрывки для создания защитной насыпной
роды при разрушении верхней породной породной перемычки необходимой толщи-
подрывки. При этом необходимо учитывать ны, позволяющей локализировать внезап-
достаточность объёма разрушаемой породы ный выброс угля и газа в забоях проводи-
с учётом коэффициента её разрыхления при мых подготовительных горных выработок
разрушении взрывом для формирования на выбросоопасных угольных пластах. перемычки необходимой толщины. Дальнейшие работы необходимо прово-
Выводы и направление дальнейших дить в направлении разработки специальных
исследований. В результате изучения про- паспортов БВР в режиме сотрясательного
цесса газодинамических явлений на вы- взрывания, которые учитывают соотношение
бросоопасных угольных пластах опреде- породной и угольной части забоя выработки
лены основные параметры внезапного вы- для оптимизации объёма пород и создания
броса и необходимые для защиты горной надёжной защитной насыпной перемычки.
Библиографический список
1. Калякин, С. А. Оценка взрывобезопасности забоев горных выработок при выбросах и сотрясательном взрывании [Текст] / С. А. Калякин // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах : сборник научных трудов. — Макеевка : Изд-во МакНИИ, 2008. — Вып. 22. — С. 39-54.
2. Инструкция по применению сотрясательного взрывания в угольных шахтах Украины [Текст]. — Макеевка : изд-во «МакНИИ-Донбасс», 1994. — 46 с.
3. Калякин, С. А. Механизм образования взрывоопасной среды и её детонации в зонах метастабильного состояния угольного вещества [Текст] / С. А. Калякин // Вести Донецкого горного института. — Донецк : Изд-во ДВНЗ «ДонНТУ», 2008. — С. 27-34.
4. Калякин, С. А. Борьба со взрывами метана на выбросоопасных угольных пластах [Текст] / С. А. Калякин // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах : сборник научных трудов. — Макеевка : Изд-во МакНИИ, 2007. — Вып. 20. — С. 15-25.
5. Бобров, И. В. Проведение подготовительных выработок на пластах, опасных по выбросам угля и газа [Текст] /И. В. Бобров. — Макеевка : изд-во «Макеевка-Донбасс», 1959. — 200 с.
6. Розловский, А. И. Научные основы техники взрывобезопасности при работе с горючими газами и парами [Текст] / А. И. Розловский. — М. : Изд-во Химия, 1972. — 364 с.
7. Гурвич, Л. В. Термодинамические свойства индивидуальных веществ [Текст] /Л. В. Гурвич и др. — М. : Изд-во Наука, 1978. — 496 с.
8. Ландау, Л. Д. Определение скорости истечения продуктов детонации некоторых газовых смесей [Текст] / Л. Д. Ландау, К. П. Станюкович // Собрание трудов Л. Д. Ландау. — М. : Изд-во Наука, 1969. — С. 496-498.
© Калякин С. А.
© Лабинский К. Н.
© Азаматов Р. И.
Рекомендована к печати д.т.н., проф., зав. каф. СЗПСиГДонНТУ Борщевским С. В.,
к.т.н., доц. каф. СГДонГТУ Смекалиным Е. С.
ISSN 2077-1738. Сборник научных трудов ГОУ ВПО ЛНР «ДонГТУ» 2018. № 10 (53)
Науки о земле
Статья поступила в редакцию 29.05.18.
д.т.н. Калякчн С. О., д.т.н. Лабшський К. М., Азаматов Р. I. (ДонНТУ, м. Донецьк, ДНР) ЛОКАЛ1ЗАЦ1Я РАПТОВИХ ВИКИД1В У ЗАБОЯХ Г1РНИЧИХ ВИРОБОК ПРИ СТРУСНОМУ П1ДРИВАНН1
Вивчено процес локал1зацИ' раптового викиду вугтля та газу насипними породними перемич-ками у забоях тдготовчих г1рничих виробок, що проводяться, на викидонебезпечних вугтьних шарах при струсному тдривант. Визначено параметри раптового викиду та необх1дт для за-хисту г1рничог виробки в1д дп газо-вугтьного потоку параметри захисног перемички. Встанов-лено необх1дну товщину породног перемички для захисту г1рничог виробки та локал^зацп раптового викиду при струсному тдривант у тдготовчих вибоях г1рничих виробок, що проводяться по змшаних викидонебезпених вибоях.
Ключовi слова: аналтичш досл1дження, газовий клатрат, газо-вугтьний потж, захисна породна перемичка.
Doctor of Tech. Sc. Kaliakin S. A., Doctor of Tech. Sc. Labinskiy K. N., Azamatov R. I. (DonNTU, Donetsk, DPR)
LOCALIZATION OF SUDDEN OUTBURST IN WORKING FACES AT SHOCK BLASTING
There has been studied the localization process of sudden coal and gas outburst by the earth-fill rock cofferdams in the preliminary face development on the outburst-prone coal seams at shock blasting. There have been determined the sudden outburst parameters and the required security jumper to protect the working face from the gas-coal flow activity. There have been determined the required cofferdam thickness and the working face protection and sudden outburst localization at shock blasting in the preliminary working face undertaken in the mixed outburst-prone face.
Key words: analytical studies, gas clathrate, gas-coal flow, security rock jumper.
