Определение размеров зон, безопасных по выбросам угля и газа, от ранее пройденных пластовых выработок Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

------------------------------------- © К.С. Кашапов, А.И. Полчин,

А.А. Пименов, 2007

УДК 622.267.53.533.17

К.С. Кашапов, А.И. Полчин, А.А. Пименов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ЗОН, БЕЗОПАСНЫХ ПО ВЫБРОСАМ УГЛЯ И ГАЗА, ОТ РАНЕЕ ПРОЙДЕННЫХ ПЛАСТОВЫХ ВЫРАБОТОК

Оценка участков пласта безопасных от выбросов угля и газа, примыкающих к ранее пройденным пластовым выработкам, была сформулирована в [1].

Основная концепция данной работы заключается в определении зон, прилегающих к выработанному пространству участков

пласта, с давлением газа в нем ниже критического (Ргкр) . То есть,

данная работа ориентирована исключительно на газовый фактор.

В отличие от концепции газового фактора, предлагаемая здесь концепция является исключительно геомеханической (в более узком смысле - прочностной) и ориентирована на учет развития, во времени, трещин, формируемых в боковых породах, прилегающих к контурам выработок по которым происходит высвобождение содержащегося в массиве газа. Таким образом, зона развития трещин, в околовыработанном пространстве, и будет являться зоной безопасности пласта - по выбросам угля и газа.

Данное положение подтверждается и рядом экспериментальных данных, например, при определении максимума опорного давления от контура выработок. Выход газа при бурении шпуров вначале имеет максимальное значение, затем уменьшается до своего минимального значения, соответствующего максимуму опорного давления, где молекулы газа наиболее «зажаты» в поровом пространстве ненарушенного массива, подверженного максимальной нагрузке, а затем выход газа несколько увеличивается до фонового газовыделения, имеющего место в незатронутом горными работами угольном массиве.

Кроме того, геомеханическая концепция, является более жесткой (более надежной), так как зона безопасности, определенная по

ней опирается в своей основе на натурные замеры зоны развития газопроводящих трещин. Размер же зоны безопасности по газовой концепции, хотя также опирается на фактический материал, но замеры газа по ней производятся с поверхности контура выработки, а не по глубине от нее, что порой может приводить далеко к неоднозначной интерпретации изменения газоносности пласта в глубь от контура выработки, что порой и наблюдается на практике. Помимо этого, геомеханическая концепция применима к пластам различной степени опасности по внезапным выбросам угля и газа: угрожаемым, опасным и особо опасным, а не только опасным и особо опасным, как это имеет место при газовой концепции. И, наконец, расчеты зоны безопасности вокруг пластовых выработок, проводимые по газовой концепции, при длительном стоянии выработок, имеют, порой, значения десятков метров, что явно противоречит реальности, так как при такой скорости фильтрации газа из угольных пластов он бы просто в них отсутствовал. В то же время измерения [2] дают значение коэффициента проницаемости в углях порядка 10-2 -10-3 Д (1 Д = 10-11 см2). Эта проницаемость очень мала по сравнению с проницаемостью пластовых газовых месторождений (10-103 Д).

Геомеханическая концепция, по определению безопасного расстояния вокруг ранее пройденных пластовых горных выработок различного назначения, в своей основе, опирается на неоднократно апробированные на практике формулы [3].

Данные формулы, касаются определения зон трещиноватости (зон обезопашивания пласта за счет выхода по трещинам газа), в зависимости от смещений пород на контурах выработок, вне влияния на них очистных работ, и, имеют следующий вид.

1. Для зоны развития трещин в кровлю выработки:

где икр - величина смещения кровли выработки, м; Ь - ширина выработки в проходке, м.

2. Для зоны развития трещин в почву выработки:

(1)

где ич - величина смещения почвы выработки, м.

3. Для зоны развития трещин в бока выработки:

к

тр.бок

8,5 • ^бОК2,

(3)

где ибок - величина смещения бока выработки, м; И - высота выработки в проходке, м.

Смещения в кровлю, почву и бока выработки определяются согласно [4]. Инструкция [4] опирается на следующие исходные данные и расчетные положения.

1. Инструкция распространяется на все горизонтальные и наклонные выработки шириной в свету не более 6 м и сечением до 20 м2, с любым расположением относительно залегания пород, при обычных способах проходки и крепления выработок, на глубинах до 1500 м и при различных способах охраны выработок.

2. Расчетное сопротивление слоев пород в массиве Яс1 определяется с учетом нарушенности массива по формуле:

где Я{ - среднее значение сопротивления слоев пород в образце одноосному сжатию, устанавливаемое по результатам испытаний; Кс - коэффициент, учитывающий дополнительную нарушенность массива пород поверхностями без сцепления, либо с малой связностью (зеркала скольжения, трещины, глинистые прослои и т. п.).

Для горных выработок значения Кс определяют в зависимости от тектонической нарушенности места их расположения, в соответствии с табл. 1.

3. При определении Яс для выработок, расположенных в пластичных глинистых породах, величину Кс следует принимать 1.

4. В случае обводненности выработок (капеж, затопление, перепуск воды и т. п.) снижение сопротивления пород в образце за счет воздействия влаги учитывают путем уменьшения прочности Яс песчаников на 20 %, алевролитов на 40 % и аргиллитов на 50 %.

5. Расчетное сопротивление пород сжатию Яс по контуру поперечного сечения выработки определяют с учетом всех вмещающих выработку слоев (пластов) мощностью более 0,5 м, залегающих на расстояниях от контура сечения выработки в

(4)

Таблица 1

Характеристика тектонической нарушенности места расположения выработки

Пликативные нарушения с радиусом более 300 м; или дизъюнктивные нарушения на расстоянии свыше 4-Ы (но не более 20 м, N - нормальная амплитуда нарушений, м), т. е. вне зоны влияния нарушений

Пликативные нарушения с радиусом от 300 до 100 м или зона влияния дизъюнктивного нарушения на расстоянии от него от 4^ (но не более 20

Непосредственно в дизъюнктивных нарушениях на расстояниях от них менее 1^......................................................

кровле 1,5-Ь, в почве 1-Ь, где Ь - ширина выработки, м, а в боках при пологом и наклонном падении по высоте выработки, при крутонаклонном и крутом - на расстоянии 1-Ь (рис. 1).

Для смежных слоев, залегающих по контуру поперечного сечения выработки, с изменчивостью Яс{ в пределах до 30 % принимает единое, для всей выработки, усредненное значение расчетного сопротивления пород сжатию, определяемое по формуле:

где Яс1, ..., Ясп - расчетное сопротивление слоев пород сжатию, МПа; т1, ..., тп - мощность слоев пород, м.

При изменчивости расчетного сопротивления пород сжатию в кровле, боках или почве выработки свыше 30 % значение Яс определяют по формуле (5), отдельно по элементам выработки (кровле, бокам и почве). Расчетное сопротивление пород в кровле и почве определяют с учетом прочности пород, залегающих в боках по высоте выработки.

Для выработок, пройденных по простиранию - в условиях пологих и наклонных пластов и вкрест простирания - при любом залегании, усредненную прочность пород по формуле (5) для кровли определяют с охватом пород по вертикальной линии 1-2-3, для почвы - по линии 2-3-4, для боков - с усреднением по линиям 5-6 и 7-8 (рис. 1, а).

м) до 1^ (но не более 7 м)

0,6

(5)

т + т2 +... + т

1 2 I

п

Рис. 1. Схемы к определению расчетного сопротивления пород сжатию: а ■

пологое падение; б - наклонное и крутое

Для выработок, пройденных по простиранию в условиях крутонаклонного и крутого падения пластов, усредненное значение прочности определяют также по формуле (5) с охватом пород для кровли по линиям т^ - т^ и т^ - т^ , для почвы тщ - т^

и т - т^ , для боков по линиям т^ - т^ для каждой стороны сечения в отдельности (рис. 1, б).

6. Смещения пород кровли, почвы или боков (и) в горизонтальных и наклонных протяженных выработках, поддерживаемых вне влияния очистных работ, рассчитывают по формуле:

и = каквКкзк,иТ , (6)

где ит - смещение пород, принятое за типовое и определяемое по графикам, приведенным на рис. 2, в зависимости от расчетного сопротивления пород сжатию Яс и глубины расположения выработки Н .

Типовыми приняты следующие условия: расположение вне зоны влияния смежных и сопрягающихся выработок, податливая крепь, падение слоев пород до 200, ширина и высота выработки в проходке соответственно 6 и 3,5 м; ка- коэффициент влияния угла

залегания пород и направления проходки выработки относительно простирания пород, определяемый по

Ни-10 игь 20 30

»

65

ТО

90

100

120

Рис. 2. Графики для определения типового смещения пород

табл. 2; кв - коэффициент направления смещения пород; при определении смещений со стороны кровли или почвы (в вертикальном направлении) он равен 1; при определении боковых смещений пород кв

- принимают по табл. 2; к/ - коэффициент влияния размеров выработки, определяемый для кровли и почвы по формуле (7), а для боков - по формуле (8):

к/ = 0,2 • (Ь -1), (7)

к/ = 0,2 • (И -1)

(8)

где Ь, Ь - соответственно ширина и высота выработки в проходке, м; кв - коэффициент воздействия других выработок, принимаемый для одиночных выработок 1; для сопряжений с односторонним примыканием выработки 1,4; для сложных сопряжений с примыка-

нием выработок в виде двустороннего заезда или пересекающихся выработок 1,6; для параллельных выработок по формуле:

где Ь - расстояние между выработками, м; Ь1 + Ь2 - суммарная ширина взаимовлияющих выработок в проходке, м; кЬ - коэффициент, определяемый по табл. 3. Расстояние между параллельными выработками Ьд , исключающее их взаимное влияние кв = 1 рассчитывают по формуле:

к( - коэффициент влияния времени на смещения пород.

Для выработок, срок службы которых менее 15 лет, коэффициент к(, зависящий от соотношения Н / Яс, и, определяемый по графикам рис. 3.

Для наклонных выработок кЬ принимают, как и для горизонтальных, пройденных по простиранию.

Для угольного массива, прилегающего к выработкам, коэффициент кг определяется по графикам рис. 4.

Для выработок, срок службы которых более 15 лет, к( = 1.

7. По формуле (6) находят величины смещений пород отдельно со стороны кровли, почвы и боков выработки.

Таким образом, размеры безопасных по выбросам угля и газа зон, вокруг ранее пройденных подготовительных и капитальных горных выработок, как это видно из рис. 5, определяются по формуле:

где И±1 - радиус эллипса трещиноватости пород от ранее пройденной выработки, м (если радиус трещиноватости расположен выше

ЬД — (Ь1 + Ь2 ) кЬ .

(10)

(11)

ее центра, то он определяется по формуле

И+, =-

(Ь + 2 • Итр.бок ) (И + 2 • Итр.кр )

а если ниже, то

И ,.=

2 •лК Ь + 2 • Кр.бок ) sin2 (Р+(И + 2 • Кр.кр ) <) Р

(Ь + 2 • Итр.бок ) (И + 2 • Итр.пч )_____________________

'•^(Ь + 2 • Итр.бок ))2 Р + (И + 2 • Кр.ш )2

cos Р

1зо - величина законтурной обработки, м (согласно [1] величина

а

б

Рис. 3. Графики для определения коэффициента к(: а - при сроке службы выработок менее года; б - то же от 1 года до 15 лет

*4

0,8

0,6

0,4

0,2

/

}

0 2 4 6 8 10 1, мес

Рис. 4. Графики для определения коэффициента к( в угольном массиве

Рис. 5. Схема к расчету безопасной, по выбросам угля и газа, зоны от ранее пройденной выработки: 1 - ранее пройденная выработка; 2 - проводимая в безопасной зоне выработка; 3 - полуэллипс разрушений пород законтурной обработки составляет 2 м, на особо выбросоопасных шахтопластах или участках, а также в зонах тектонических нарушений выбросоопасных пластов - 4 м).

--------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля и газа. - Караганда, 1995.

2. Кузнецов С.В., Кригман Р.Н. Природная проницаемость угольных пластов и методы ее определения. - М. Наука, 1978.

3. Яковлев В.П. Разработка методов прогнозирования смещений пород для определения условий безремонтного поддержания горных выработок податливой крепью с упрочнением массива на шахтах Карагандинского бассейна // Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. - Караганда, 1983.

4. Инструкция по выбору рамной, металлической, податливой крепи горных выработок». - С.-Петербург, 1991.

— Коротко об авторах -------------------------------------------------

Кашапов К.С. - кандидат технических наук, технический директор Угольного департамента «Миттал Стил Темиртау»,

Полчин А.И. - горный инженер, главный горняк Угольного департамента «Миттал Стил Темиртау»,

Пименов А. А. - горный инженер, научный сотрудник НИЦ ГРК.

УДК 622.813.325

Б.В. Вацковский, А.Ф. Липчанский, Ю.А. Филиппов

О ПРЕДУПРЕЖДЕНИИ ВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСОВ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ

Сначала проявления внезапных выбросов угля и газа (известно, что первый зарегистрированный внезапный выброс произошел в 1834 году на французской шахте «Исаак») изучение и предупреждение этого опасного явления для жизни персонала работающих находится в центре внимания ученых горного профиля, производственников и ученых по изучению верхних слоев земной коры [1]. За более чем полуторавековой мировой опыт разработки выбросоопасных пластов, концентрации научной и технической

© Б.В. Вацковский, А.Ф. Липчанский, Ю.А. Филиппов, 2007