CC BY
14
УДК 622.831.32
В.И. Мурашев, В.А. Лебедев, В.В. Славолюбов
НЦ ВостНИИ
Научные предпосылки для разработки аналитическо-экспериментального метода прогноза выбросов угля и газа
в очистных забоях
Описываются научные предпосылки для разработки аналитическо-экспериментального метода прогноза выбросов угля и газа в очистных забоях. На основе расчёта и измерения расстояний от забоя до зоны максимальных напряжений выбираются наиболее безопасные параметры технологии (длина лавы по падению, ширина захвата режущего органа добычной машины, среднесуточная скорость подвигания забоя), для осуществления которых производится соответствующая геометрия подготовительных выработок, и заказывается необходимое оборудование.
До недавнего времени внезапные выбросы угля и газа в Кузбассе происходили лишь при вскрытии пластов и проведении подготовительных выработок. Поэтому способы прогноза и борьбы с ними разработаны только для указанных условий. Сейчас на некоторых шахтах («Чертин-ская», «Первомайская», «Абашевская» и др.) возникла реальная угроза развязывания выбросов в очистных забоях.
Механизм развития внезапного выброса в подготовительных выработках существенно отличается от аналогичного в очистных забоях. Поэтому простое перенесение методов прогноза и предотвращения этих явлений в подготовительных забоях на очистные практически невозможно.
Учитывая сделанное выше замечание, рассмотрим механизм развязывания внезапного выброса угля и газа в подготовительной выработке, для чего обратимся к рисунку 1. На рисунке 1,а показано состояние угольного массива в области влияния выработки Хср на момент возникновения выбросоопасной ситуации. Перед схемой изображены эпюры напряжений а(у) и давления
газа Рг(у). В случае, когда величина заходки 1 оказывается такой, что равнодействующая сил давления газа в некоторой близкой к вновь образованному забою параллельной ему трещине будет больше предельной равнодействующей сил сопротивления смещению лежащего между забоем и трещиной слоя угля, развязывается внезапный выброс (рисунок 1,б). При этом по зоне II в глубь массива начинает с большой скоростью распространяться волна параллельных забою слоев угля. По мере того, как начинают отделяться более удаленные от забоя слои, происходит быстрый пе-
ренос отдельных кусков из зоны высокого давления газа в зону низкого, что сопровождается их газовым дроблением (рисунок 1,е).
Следует отметить, что возникновению выбросоопасных ситуаций в наибольшей мере способствуют изменение прочностных свойств угля по простиранию пласта в сторону снижения крепости угля и технология проведения выработки, обеспечивающая высокие темпы подвигания, или же большая величина мгновенной скорости подвигания забоя.
Впереди забоя очистной выработки образуются три зоны разрушения угольного массива I, II, III, (рисунок 2). Под действием повышенных напряжений степень разрушения угля в зонах I и II очистных выработок по сравнению с подготовительными больше, за счет чего увеличивается возможность возникновения выбросоопасных ситуаций. Однако в результате воздействия касательных напряжений в зоне опорного давления породы кровли разрушаются, образуя трещины значительного зияния, что способствует дегазации и резкому снижению давления газа в некоторой части угольного массива ДХ°ср (рисунок 2) в пределах области предельного напряженного состояния.
Рисунок 1 - Схемы к пояснению механизма развязывания внезапного выброса угля и газа в
подготовительной выработке
Рисунок 2 - Схема к пояснению механизма развязывания внезапного выброса угля и газа в очистном забое
Численные значения параметра ДХ0ср определяются по формуле:
а -а
дх;=Х0Р
'О "з
а тах з
где Х0ср - расстояние от забоя до зоны максимальных напряжений, м;
2
а0 - напряжение в нетронутом угольном массиве, кг/см ; а тах - максимальное напряжение в зоне опорного давления, кг/см ; аз - напряжение на линии забоя, кг/см2.
Параметр Х0ср является ключевым в аналитико-экспериментальном методе прогноза внезапных выбросов угля и газа в очистных забоях. С физической точки зрения, этот параметр характеризует геохимическое состояние призабойной части угольного массива, в котором происходит его разрушение, снижение давления метана и дегазация.
Естественно, что в целях безопасности выемка угля должна производиться в пределах величины Х0ср. Это положение подтверждается данными, полученными в результате многолетних наблюдений по пласту Двойному шахты «Капитальная» (г. Воркута).
В 1960-1961 гг. в очистном забое по пласту Двойному было зарегистрировано около 40 внезапных выбросов угля и газа. При этом ширина выемки угля комбайном составила 2,0 м, а расчетная величина Х0ср равнялась 1,35. При переходе на узкозахватную выемку угля (0,63 м) внезапные
выбросы угля и газа прекратились и не наблюдались вплоть до закрытия шахты на глубине около 1000 м от поверхности.
Таким образом, если взять за критерий выбросоопасность в очистном забое Р0= 1 - X°cр, то при значении Р0 ^ 0 опасно. А при Р0 ^ 0 неопасно.
Подобная тенденция наблюдается и на некоторых шахтах Кузбасса («Первомайская», «Чертинская»), в лавах которых имелись газодинамические явления при ширине вынимаемой полосы угля 1=0,8 м, а при 1= 0,5 м они прекратились.
Учитывая изложенное выше, аналитико-экспериментальный метод будет выглядеть следующим образом:
1 Для намечаемого к разработке участка угольного пласта на стадии проектирования расчетным методом НЦ ВостНИИ определяются геомеханические параметры призабойной зоны, в первую очередь X°cр, в зависимости от минимальной и максимальной нагрузок на забой и скоростей подвигания лавы по простиранию. Для этого необходимы следующие данные:
- глубина ведения горных работ от поверхности К м;
- длина лавы по падению пласта L, м;
- ширина захвата режущего органа комбайна 1, м;
- угол падения пласта а, град;
- вынимаемая мощность пласта m, м;
- среднесуточная скорость подвигания очистного забоя V, м/сут;
- коэффициент крепости пород основной кровли F;
н
- коэффициент крепости пород непосредственной кровли F ;
- коэффициент крепости угольного пласта Г
2 В результате проведенных расчетов определяется степень опасности данного участка пласта в отношении возникновения внезапного выброса угля и газа. На основе расчёта выбираются наиболее безопасные параметры технологии (длина лавы по падению, ширина захвата режущего органа добычной машины, среднесуточная скорость подвигания забоя), для осуществления которых производится соответствующая геометрия подготовительных выработок, и заказывается необходимое оборудование.
3 В процессе разработки пласта производится текущий контроль величины X°cр путем по-интервального измерения скорости газовыделения из шпуров, пробуренных из забоя лавы. Опасной считается ситуация, при которой величина X°cр, определенная практическим путем, будет меньше расчетной, что и будет основанием для применения мер борьбы с выбросами.
Из изложенного следует, что для завершения исследований по созданию метода прогноза выбросов в очистных забоях необходимо проведение замеров величины X°cр в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий.
