CC BY
0ISSN G136-4545 !Ж!урнал теоретической и прикладной механики.
№1 (86) / 2G24.
УДК 622.831.322:63
doi:10.24412/0136-4545-2024-1-91-106
EDN:ZNPBCT
((2024. Н.И. Лобков1, А.Г. Радченко2
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ОПАСНЫХ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В СЛОЯХ ПОРОД И В УГОЛЬНЫХ ПЛАСТАХ
Показана важность комплексного учета влияния геологических, тектонических, технологических и геомеханических процессов на газодинамические и термодинамические параметры, физико-механические, газокинетические свойства и напряженно-деформированное состояние породных слоев и угольных пластов. Выполнен анализ недостатков физико-механической модели, предложенной В.В. Ходотом, по формированию выбросоопасных зон в угольных пластах. Рассмотрены достоинства и преимущества применения новых физико-химической и гео-механо-газотермодинамической моделей формирования выбросоопасных зон в угольных пластах. Применение физико-химической и геомехано-газотермодинамической моделей является важным условием для обеспечения принятия правильных инженерных решений и способствует повышению уровня безопасного ведения горных работ в различных сложных горногеологических условиях.
Ключевые слова: выбросы породных слоев, выбросы угля и газа, физико-механическая модель, физико-химическая модель, геомехано-газотермодинамическая модель, газодинамические параметры, термодинамические параметры.
Введение. При ведении горных работ в земных недрах происходят внезапные выбросы солей, песчаников, порфиритов, углей и газов. Вопросам формирования выбросоопасных зон в породных слоях и в угольных пластах в многочисленной литературе по горному делу уделено недостаточное внимание. В литературе недостаточно полно рассмотрена физическая сущность формирования выбросоопасных зон в слоях солей, песчаников, порфиритов и в угольных пластах. Предложенная В.В. Ходотом физико-механическая модель формирования и проявления внезапных выбросов угля и газа [1] имеет ряд существенных недостатков: а) с позиций этой модели формирование выбросоопасных зон рассмотрено в общем виде, т. е. без разделения на региональный, локальный и текущий
1 Лобков Николай Иванович - доктор техн. наук, зав. отд. управления геомеханическими и технологическими процессами РАНИМИ, Донецк, e-mail: nilobkov@mail.ru.
Lobkov Nikolay Ivanovich - Doctor of Technical Sciences, Head of Department, Republican Academic Research and Design Institute of Mining Geology, Geomechanics, Geophysics and Mine Surveying, Donetsk, Department of Geomechanical and Technological Processes Management.
2 Радченко Александр Григорьевич - вед. инженер отд. управления геомеханическими и технологическими процессами РАНИМИ, Донецк, e-mail: aradov2022@yandex.ru.
Radchenko Aleksandr Grigor'evich - Leading Engineer, Republican Academic Research and Design Institute of Mining Geology, Geomechanics, Geophysics and Mine Surveying, Donetsk, Department of Geomechanical and Technological Processes Management.
уровни; б) на региональном уровне не учитывается влияние степени метаморфизма углей на формирование выбросоопасных зон; в) на локальном и текущем уровнях не учитывается существенное влияние геомеханических процессов на изменение физико-механических свойств (ФМС), газокинетических свойств (ГКС) и на изменение напряженно-деформированного состояния (НДС) при-забойной части угольных пластов. В связи с вышесказанным были определены цели исследований: а) установление основных процессов и факторов, способствующих формированию выбросоопасных зон в слоях солей, песчаников, порфири-тов и в угольных пластах; б) анализ недостатков физико-механической модели формирования выбросоопасных зон в угольных пластах (по В.В. Ходоту); в) рассмотрение основных положений новых, прогрессивных моделей формирования выбросоопасных зон в углях разных стадий метаморфизма на региональном, локальном и текущем уровнях.
1. Методика проведения исследований. Обзор литературы [2, 3, 4] показал, что: а) анализ формирования выбросоопасных зон в породных слоях и в угольных пластах необходимо выполнять на региональном, локальном и текущем уровнях; б) в формировании выбросоопасных зон принимают участие геологические, тектонические, технологические и геомеханические процессы -рисунок 1.
Рис. 1. Геомехано-газотермодинамическая модель формирования выбросоопасных зон на локальном и текущем уровнях: ФМС - физико-механические свойства породных слоев и угольных пластов; НДС - напряженно-деформированное состояние породных слоев и угольных пластов; ГКС - газокинетические свойства породных слоев и угольных пластов; ГДЯ - газодинамические явления
Рассмотрим кратко влияние каждого из перечисленных процессов на формирование выбросоопасных зон в породных слоях и в угольных пластах.
2. Геологические процессы. По мнению академика М.А. Садовского, основным свойством земных недр является их неоднородность. Горный массив является неоднородным, слоистым, анизотропным. В связи с неровностями и волнистым строением подстилающего рельефа осадконакопление по площадям происходило неравномерно, что обусловило изменчивость мощностей, углов падения и прочностных свойств геологических слоев. Изменению ФМС, ГКС и НДС породных слоев способствовали также процессы флюидизации. Формирование неоднородностей различных масштабов и уровней в породных слоях и в угольных пластах происходило при многократном, многоцикличном воздействием геологических, тектонических факторов и процессов флюидизации. В Армении для переброски воды из реки Арпа в озеро Севан велась проходка гидротехнического тоннеля протяженностью 48,3 км (две параллельные ветки). Тоннель проводился в горах, в толще Варденисского хребта, минимальная глубина проходки составляла 100 м, а максимальная - 750 м. На участке тоннеля № 2 в забое 8 шахты № 3 на глубине свыше 600 м 13.03.1977 г. произошел внезапный выброс пород и газа [5]. Ориентировочно было выброшено 1500 т породы и 105000 м3 углекислого газа, погибло 22 человека. Выброс произошел в изверженных трещиновато-пористых магматических породах - порфиритах, в обширной зоне влияния Анкаван-Сюникского разлома. Под действием термальных, высокоминерализованных, газосодержащих флюидов сформировались вы-бросоопасные участки порфиритов, которые характеризуются повышенной пористостью, газоносностью и пониженной прочностью. Обзор литературы [4, 5, 6] показал, что под воздействием процессов флюидизации происходят изменения структурно-химических свойств (СХС) солей, песчаников и порфиритов; возрастает неоднородность их строения, снижается прочность, возрастают пористость, газоносность и потенциальная выбросоопасность. Вышерассмотренные факты указывают на важность учета структурно-химических свойств (СХС) не только породных слоев, но и СХС угольных пластов.
В работе [7] показано, что степень метаморфизма углей тесно связана со сложным полимодальным характером проявления внезапных выбросов угля и газа в ряду углефикации. Изменения в молекулярной и надмолекулярная организации углей вызывают сложные нелинейные изменения структурно-химических свойств углей, которые являются причиной появления углей разного марочного состава. Угли разных стадий метаморфизма отличаются по своим физико-механическим и газокинетическим свойствам. Установлена непосредственная взаимосвязь характера проявления внезапных выбросов угля и газа в ряду метаморфизма со скачками углефикации [7]. С позиций энергетической теории В.В. Ходота [1] нельзя объяснить факт повышенной выбросоопасности углей средней стадии метаморфизма. В работе [8] предложена более прогрессивная региональная физико-химическая модель формирования и проявления внезапных выбросов угля и газа в ряду метаморфизма, которая учитывает особенности измене-
ния структурно-химических, физико-механических и газокинетических свойств углей в ряду углефикации.
3. Тектонические процессы. Роль тектоники сводится к усилению неоднородности строения горного массива, появлению его блокового строения, а также к перераспределению напряженно-деформированного и газодинамического состояний в углепородном массиве. Тектоническая нарушенность породных слоев и угольных пластов является причиной появления и усиления структурных неоднородностей различных уровней и масштабов. Зоны горно-геологических нарушений (ГГН) являются участками, опасными по проявлению различных видов газодинамических явлений: суфляры, прорывы газа из угольных пластов, внезапные разломы кровли и почвы с повышенным газовыделением, внезапные выбросы угля и газа и т. д. Например, в условиях шахты «Калинов-ская - Восточная» ПО «Макеевуголь» был выполнен анализ влияния крупных тектонических нарушений на перераспределение природной газоносности в угольных пластах Хпр, м3/т.с.б.м. Исходные данные по Хпр были взяты из работы [9]. Анализ данных работы [9] показал, что в зонах влияния геологических нарушений изменяются физико-механические, газокинетические свойства и напряженно-деформированное состояние углепородного массива, происходит перераспределение по площадям следующих показателей: 1) природной газоносности в угольных пластах - Хпр; 2) температуры во вмещающих породах почвы - Т0пПор, С; 3) предела прочности вмещающих пород на сжатие асж. Так, по площади пласта к41 в зоне влияния надвига № 9 и Французского надвига значения Хпр возрастают, а по площадям по пластам ¡11; ¡1 и к^Б в зоне влияния Итальянского надвига значения Хпр снижаются. При увеличении глубины залегания угольных пластов под влиянием тектонических нарушений наблюдается высокая изменчивость показателей Хпр, асж и Т0пор.
4. Технологические процессы. Существующие горно-геологические условия определяют комплекс проводимых технологических мероприятий по вскрытию, подготовке и эксплуатации выбранного участка месторождения. Комплекс технологических мероприятий включает: способы и схемы вскрытия, подготовки и разработки угольных шахтопластов; способы проведения выработок; способы отбойки угля; способы управления кровлей; противовыбросные мероприятия; способы дегазации горного массива и т. д. Своевременный учет быстро изменяющихся горно-геологических условий залегания слоев вмещающих пород и угольных пластов позволяет оперативно принимать правильные, объективные технологические решения в процессе эксплуатации месторождения.
5. Геомеханические процессы. В процессе проведения горных выработок в углепородном массиве формируются неоднородные пространственно-временные структуры, обусловленные следующими факторами: 1) циклические, периодические посадки непосредственной и основной кровель, которые связаны с цикличностью работ по проведению горных выработок; 2) периодический изгиб, расслоение, разрушение, обрушение и сдвижение породных слоев. В работах [10, 11] указывается на образование перемещающихся зон разгрузки и при-
грузки впереди очистного забоя с последующим образованием перемещающейся зоны разрушения породного массива. Впереди проводимых горных выработок наблюдается чередование зон сжатия и растяжения в угольном массиве. Эти зоны характеризуются повышенными и пониженными значениями напряженного состояния угольного пласта а, природной газоносности Хпр и давления газов Ргаз [4, 10]. Согласно [12], в районе сопряжения горизонтальной выработки с вертикальным стволом по мере удаления от ствола волнообразно изменяются уровень электромагнитной эмиссии и кажущееся электрическое сопротивление пород.
В работе Ж.М. Канлыбаевой [13] указывается на знакопеременное поведение угольного пласта и вмещающих пород впереди проводимой лавы: как по ходу движения забоя, так и по вертикали, измеряемой от кровли пласта до земной поверхности. Явление волнообразного изменения напряженно-деформированного состояния плит и балок на упругом основании известно из теории упругости. Затухающий волнообразный характер изменения напряжений впереди проводимого забоя ранее предсказал Вебер. В работе Ю.Н. Гавриленко [14] показано, что в зонах дизъюнктивных геологических нарушений происходит неравномерное, скачкообразное сдвижение углепородного массива, подрабатываемого горными работами.
При проведении горных выработок слои подрабатываемого породного массива передают нагрузку на призабойную часть угольного пласта. Эта пригрузка формирует зону опорного давления впереди проводимой выработки. Важной практической задачей геомеханики является правильное количественное определение величин: а) расстояния до максимума напряжений в угольном пласте Ь ауГтах; б) величины опорного давления Ьтор. Эффективная и безопасная отработка ударо- и выбросоопасных угольных пластов возможна только на основании достоверного определения величины Ь аугтах, которая изменяется в процессе подвигания очистной выработки. Следует отметить, что в работах [15, 16] для простоты расчетов величины Ьтор, м горный массив был принят как сплошная, однородная среда. Такой подход приводит к ошибкам при расчете величины Ьтор, что было показано в работе [17]. Горный массив является слоистым, блочным, неоднородным [18]. Геомеханическая модель углепородного массива, применяемая в работах [15, 16], не учитывает газокинетические и термодинамические параметры выбросоопасных угольных пластов. Указанная модель [15, 16] на протяжении длительного времени используется в теории защитных пластов, в теории опорного давления, в теории формирования горных ударов. Следует отметить, что закономерности формирования и проявления внезапных выбросов угля и газа существенно отличаются от закономерностей формирования и проявления горных ударов. При формировании выбросоопасных участков в угольных пластах необходимо решать сопряженную задачу, т. е. необходимо учитывать совместное воздействие на краевую часть угольного пласта не только действующих статических напряжений, динамических нагрузок, возникающих в процессе сдвижения подработанных породных слоев кровли, но также сле-
дует учитывать влияние газодинамических и термодинамических параметров, постоянно изменяющихся в призабойной части угольного пласта (рис. 1).
Интенсивность протекания геомеханических процессов в углепородном массиве зависит от следующих факторов: состав подрабатываемых породных слоев; мощности слоев; углы падения слоев; прочностные свойства слоев; расстояние расположения мощного подрабатываемого породного слоя относительно кровли разрабатываемого угольного пласта Я, м; длина лавы Ьл, м; суточная скорость подвигания лавы V, м/сут.; расстояние отхода лавы от места посадки основной кровли Яотх, м; количество одновременно работающих лав на данном участке шахтопласта ^лав и т. д. Алгоритм расчета величины максимального опорного давления Роп тах при работе лавы рассмотрен в работе [19].
Геомеханические процессы неразрывно связаны с газодинамическими и термодинамическими процессами, которые наблюдаются в угольных пластах. В процессе ведения очистных работ происходит изгиб породных слоев основной кровли над выработанным пространством, при этом длина пролета достигает предельной величины. При предельном пролете мощного прочного породного слоя наблюдается его поднятие над пластом впереди лавы и происходит разгрузка на отдельном участке угольного пласта. Согласно работе [20], впереди лавы, в зоне разгрузки пласта образуется участок свободного метана, который является потенциально выбросоопасным и способен под давлением выдавливаться в призабойное пространство.
Совместное воздействие геологических и тектонических процессов на горный массив приводит к усилению неоднородности, изменчивости свойств углепород-ного массива: усиливается неравномерность в распределении его напряженно-деформированного состояния, его физико-механических, газокинетических свойств (природная газоносность Хпр, давление газа Ргаз), термодинамических свойств (температура угля Т0уг, С; температура пород Т0ппор, С) как по площадям, так и по глубине. На неравномерное распределение энергии в горном массиве как по площадям, так и по глубине указывают в своих работах Г.Н. Фейт, А.Ф. Булат, В.И. Дырда, Е.Л. Звягильский, В.А. Привалов, Е.А. Панова и другие.
6. Газодинамические процессы. При ведении очистных работ геомеханические процессы, протекающие в углепородном массиве, характеризуются периодичностью, цикличностью и обусловливают периодические изменения газо-и термодинамических параметров в призабойной части угольного пласта. В работе [21] были исследованы деформации пород основной кровли вблизи забоя очистной выработки с учетом вращающего момента, возникающего от зависающего над выработанным пространством участка основной кровли и действующего на краевую зону угольного пласта. Показано, что впереди лавы возникают зона максимальных напряжений (зона пригрузки) и зона разгрузки, в которой, наряду с повышенными значениями газоносности и трещиноватости угольного пласта, возможно формирование «газового мешка» - зоны с повышенной вероятностью развития опасных газодинамических явлений: суфляров, прорывов газа, внезапных выдавливаний угольного массива, внезапных выбросов угля и газа.
В работе [22] показаны периодические изменения вторичных шагов обрушения основной кровли, давления на крепь и волнообразный характер изменения газовыделения из угольного пласта в подготовительные выработки. В работе [23] доказано, что объем отжимаемого угля по длине лавы изменяется волнообразно, т. е. горное давление, действующее на угольный пласт, имеет волнообразный характер.
При выемке угля очистным комбайном в лаве, в призабойной части угольного массива создается поле повышенных напряжений (локальное ядро горного давления), а непосредственно за ним образуется поле повышенного давления газа (локальное ядро газового давления) [24]. За работающим комбайном движется поле повышенных скоростей сближения вмещающих пород (локальное ядро повышенных скоростей сближения пород) [24].
В работе [4] приведены результаты шахтных исследований, выполненных сотрудником МакНИИ Волошиным Н.Е., в условиях ПО «Донецкуголь» на шахте № 7/8 им. М.И. Калинина, в угольном пласте Н% «Прасковиевский». В очистном забое измеряли давление газа - РГаз при подходе комбайна к месту установки манометров. В результате выполненных экспериментов было установлено, что при приближении комбайна к местам установки манометров наблюдается резкий скачок давления газа. Следует отметить следующее: а) в манометре № 2, расположенном на расстоянии 5,1 - 3,4 м от поверхности очистного забоя, давление газа увеличилось с 9,5 до 13,3 МПа; б) в манометре № 5, расположенном на расстоянии 5,2 - 3,8 м от поверхности забоя, давление газа увеличилось с 9,4 до 13,0 МПа; в) в манометре № 7, расположенном на расстоянии 4,4 - 3,2 м от поверхности забоя, давление газа увеличилось с 9,8 до 13,4 МПа. При дальнейшем приближении очистного забоя к месту замеров на расстояние 2,0 м давление газа в пласте начинало падать до 0,0 МПа. Таким образом, впереди движущегося комбайна формируется локальный участок с повышенными значениями градиентов напряженно-деформированного и газодинамического состояний.
По данным [4], шахтные экспериментальные исследования были проведены в условиях ш/у «Донбасс» на шахте «Заперевальная-2» на особо выбросоопасном угольном пласте Ню «Ливенский» в ряде очистных забоев. В очистных забоях в скважинах диаметром с! = 42 мм и длиной Ь = 8 — 9 м последовательно, поин-тервально через каждый 1,0 м измеряли начальную скорость газовыделения дн, л/мин и производили отбор проб для определения концентрации Не, %. Измерения выполняли в средней части лавы, через 1,0 м сразу после бурения каждого последующего интервала скважины и при длине измерительной газовой камеры 1к = 0, 20 м. Затем измерения дн повторяли через 1, 2 и 3 часа. Установлено, что изменение параметра дн по длине скважины носит волнообразный характер с двумя максимумами, расположенными на расстояниях: 1) 3-4 м и 2) 6-7 м от поверхности забоя, [4]. Выполненные исследования показали, что в скважинах, пробуренных впереди очистных забоев по ходу движения лав, начальная скорость газовыделения из скважин дн и концентрация гелия Не, %, измеренные последовательно, поинтервально через 1,0 м, изменяются волнообразно.
В условиях шахты «Красноармейская-Западная-1» по пласту ^4 в блоке № 10 в подготовительных забоях были проведены шахтные экспериментальные исследования характера изменения газовыделения в призабойной части угольного массива. Измерения выполнялись по методике ведения текущего прогноза вы-бросоопасности угольных пластов по дн согласно [2]. В результате выполненных исследований установлено, что впереди забоя подготовительных выработок наблюдается чередование участков с повышенными и пониженными значениями суммарного газовыделения из шпуров ^ дн [25].
В работе [26] рассмотрены результаты физического и численного моделирования влияния процесса обрушения пород кровли на параметры зоны опорного давления. Установлено, что процесс нагружения со стороны прочных породных слоев кровли разделяется на три фазы: начальная фаза, фаза динамической нагрузки и фаза статической нагрузки [26]. В работе [27] приведены результаты замеров горного давления в лаве в стойках механизированной крепи. Измерения проводились в 30, 60, 75, 90, 105, 120 и 150 м от конвейерного штрека по длине очистного забоя. Установлено, что изменения горного давления на крепь имеют волнообразную форму как по ходу движения лавы (по оси отрабатываемого столба), так и по линии очистного забоя.
К газодинамическим параметрам угольных пластов относятся: природная газоносность угольных пластов Хпр; остаточная газоносность угольных пластов Хос, м3/т.с.б.м.; P давление газа в угольном пласте, МПа; начальная скорость газоотдачи угля А P; начальная скорость газовыделения из шпуров и скважин дн л/мин; объём сорбированного углем газа Vсорб, м3/т; объём свободного газа в угле V, м3/т; величина зоны разгрузки по угольному пласту Ьраз, м и т. д. На величину зоны разгрузки в угольном пласте Ьраз, м оказывают влияние геологические, тектонические, технологические и геомеханические факторы.
К геологическим факторам относятся: мощность разрабатываемого пласта ш, м; угол падения пласта а, град; глубина залегания пласта И, м; степень метаморфизма угля (весовой выход летучих веществ V, % и толщина пластического слоя у, мм); естественная влага в угле Ша, %; литологический состав пород кровли (мощность породных слоев, их крепость, углы падения) и т.д.
К тектоническим факторам относятся: наличие зон горно-геологических нарушений (ГГН) различных типов (дизъюнктивные, пликативные, структурные); амплитуда разрывного нарушения А, м; угол падения сместителя в, град; ширина зоны ГГН В, м; протяженность зоны ГГН Ьнар, м; степень тектонической нарушенности угля А .]; интенсивность трещиноватости участка угольного пласта .1тр и т.д.
К технологическим и геомеханическим факторам относятся: длина лавы Ьл, м; скорость подвигания лавы V, м/сут; расстояние отхода лавы от места посадки основной кровли Яотх, м; количество лав, одновременно работающих на данном участке шахтопласта ^лав; способ управления кровлей; способ крепления выработки; способ выемки угля; способ дегазации угольного пласта; применяемые противовыбросные мероприятия; площадь выработанного пространства Б, м2;
шаг посадки основной кровли Ьпос, м; высота свода обрушения пород кровли h, м; угол сдвижения породных слоев кровли ф, град; угол прогиба породных слоев кровли p, град; расстояние до максимума опорного давления в лаве L amax; величина зоны разгрузки в краевой части угольного пласта Lpa3, м; величина безопасной выемки угля L, м и т. д.
Анализ литературы и обобщение опыта ведения горных работ в сложных горно-геологических условиях [25] показали, что при ведении очистных работ впереди забоя лавы формируются следующие зоны: I - зона отжима и разрушения угольного пласта; II - зона пластических деформаций; III - зона упругих деформаций (рис. 2). По данным шахтных измерений и выполненного численного моделирования были построены графики изменения начальной скорости газовыделения из скважины (дн), л/мин - график 1 и изменения напряжений в призабойной части угольного пласта (а , МПа) - график 2 (рис. 2). В условиях ш/у «Донбасс» на шахте «Заперевальная-2» по пласту hio в нижней части лавы были выполнены измерения показателя дн, л/мин в скважинах через каждые 0,5 м длиной 8-9 м.
Рис. 2. Графики изменения показателей: 1 - начальной скорости газовыделения из скважины (дн), л/мин; 2 - напряженного состояния по длине скважины (а, МПа)
Величина зоны разгрузки Ьраз, определяемая по методике ведения динамики газовыделения из скважин по показателю (дн, л/мин), согласно [2] составила Рраз = 2, 5 м. Согласно [2] имеем: Ь^ез = Ьраз — 1, 0 м, тогда глубина безопасной выемки равна Ь^ез = 1, 5 м (рис. 2). Расстояние до максимума опорного давления
составило Ь итах = 4, 0 м, а коэффициент концентрации напряжений составил К = 2, 5. Следует отметить, что на графике изменения показателя дн, л/мин наблюдается два максимума. Минимальные значения начальной скорости газовыделения наблюдаются при дн = 3, 0 л/мин, что соответствует максимальным значениям напряжений итах. Из рисунка 2 следует, что в интервале протяженности скважины Ь = 5, 5--7, 0 м отмечены пониженные напряжения, т. е. на
данном участке угольного пласта при наличии трудно обрушаемой кровли образуется зона разгрузки, в которой возможно образование участка со свободным скоплением метана. Следует отметить, что указанному участку пониженных напряжений соответствует второй максимум значений показателя дн, л/мин. Таким образом, газодинамическое состояние угольного пласта неразрывно связано с его напряженно-деформированным состоянием.
7. Термодинамические процессы. Состояние призабойной части угольного пласта неразрывно связано с протекающими геомеханическими процессами в углепородном массиве. Результаты выполненных обширных, фундаментальных, шахтных экспериментальных исследований приведены в работе [28]. По данным работы [28], перед внезапными выбросами угля и газа в Донбассе наблюдаются задержки в смещении боковых пород, т. е. скорость сближения боковых пород существенно снижается. Следовательно, в результате задержки в смещении боковых пород газо- и теплоотдача пласта снижаются, в призабойной части пласта возрастают градиенты напряжений, газового давления и температуры.
В работе [29] указывается, что под влиянием тектонических и геохимических процессов в угольных пластах в течение длительного геологического времени сформировались области с аномальными физико-химическими и физико-механическими свойствами на всех уровнях структурной организации угольного вещества. Повышение температуры угольного пласта является информативным показателем: с его помощью можно выделить зоны повышенного горного давления и зоны разгрузки и дегазации пласта [29]. В работе [30] показано, что при возрастании уровня напряжений в образцах угля, вариации температуры и интенсивности ИК-излучения увеличиваются. В работе [31] указывается, что изменение температуры угольного пласта является показателем интенсивности происходящих в нем геомеханических, газо- и термодинамических процессов и может служить в качестве показателя для оценки степени выбросоопасности угольного пласта.
Весьма интересные данные приведены в работе [32]. Согласно [32], при работе лавы в выработанном пространстве возникают деформационно-волновые процессы, которые обусловливают появление температурных аномалий в подработанных вмещающих породных слоях.
Анализ и обобщение данных работ [4, 13, 20-23, 29-33] позволил разработать следующее рабочую гипотезу. Впереди действующего очистного забоя возникают деформационно-волновые процессы, которые обусловливают нелинейное волнообразное изменение опорного давления во вмещающих породных слоях и в угольном пласте. Волнообразное изменение напряженно-деформированного
состояния угольного пласта впереди лавы обусловливает неравномерное, нелинейное изменение газодинамического и термодинамического состояний угольного пласта. Впереди забоя лавы образуются зоны пригрузки и разгрузки, в зонах пригрузки механическая энергия опорного горного давления переходит в тепловую и вызывает образование участков с повышенными значениями температуры. Впереди лавы возникают температурные аномалии: в зонах пригрузки температура угольного пласта повышается, в зонах разгрузки образуется зона свободного метана и температура угля на данном участке угольного пласта снижается, т. е. наблюдается эффект Джоуля-Томсона. Данные работ [33-36] полностью подтверждают основные положения разработанной рабочей гипотезы.
В работе [34] рассмотрены результаты измерений температуры на выбро-соопасных пластах Донбасса. Температуру измеряли в условиях ПО «Донецку-голь», ш/у «Донбасс», на шахтах «Заперевальная-1», «Заперевальная-2» и «Глубокая» в забоях подготовительных выработок в шпурах на интервалах 1,0-2,0 и 2,0-3,0 м. Измерения показали, что в каждой отдельной выработке температура, измеренная в призабойной части угольных пластов распределена весьма неравномерно. Критерием оценки выбросоопасности пласта является максимальная величина градиента температуры угля в шпуре на расстояниях 1,0-2,0 м и 2,0-3,0 м от поверхности забоя. По данным И.А. Рыженко, И.Я. Еремина, В.П. Черняка участок пласта относится: а) к неопасным при условии: А Т2_i, A Т3_2 < 2 °C; б) ситуация считается угрожаемой при 2 °C < А Т2-1, А Т3_2 < 2, 5 °C; в) участок относится к выбросоопасным при условии: A T2_i, А Тз_2 > 2, 5 °C. Следует отметить, что в работе [34] физическая сущность неравномерного распределения температуры в угольном массиве и в местах повышения температуры в выбросоопасных зонах не объясняется.
В работе [32] указывается, что в условиях Карагандинского угольного бассейна впереди движущейся лавы № 36 в зоне геологического нарушения в шпурах на глубине 3,6 м зафиксировано повышение температуры до 45° С по сравнению с фоновой, равной 30-31°C. По данным работы [32] на шахте им. В.И. Ленина впереди движущейся лавы в зоне максимального опорного горного давления температура угольного пласта возрастает в 2-3 раза против фоновых значений. Далее отмечается, что графики изменения температуры угля хорошо согласуются с закономерностями изменения опорного горного давления по мере подви-гания лавы, в том числе и с шагом посадки основной кровли в очистном забое [32].
В работе [35] приведены результаты шахтных комплексных измерений температуры и напряженно-деформированного состояния угольного пласта. Измерения проводились в Центральном геолого-промышленном районе Донбасса на шахте «Юнком». Шахтные измерения напряжений выполняли с помощью гидравлических датчиков горного давления следующих двух типов: ПГД-2 или ДДС-1. Установлена неоднородность распределения теплового поля угольных пластов в зоне влияния горных выработок. Далее отмечается, что в зоне макси-
мальных концентраций напряжений впереди забоя (а = 42 — 44 кгс/см2) температура также растет и достигает Т = 57° С по сравнению с участками, характеризующимися более низкими значениями напряжений, на которых температура составляла Т = 30°—32° С. По данным [35], на пласте Смоляниновском, на горизонте Н = 716 м в зоне максимальной концентрации напряжений на расстоянии 4,0 м от забоя лавы наблюдалась максимальная температура Т = 45° С, а на расстоянии 8,0-9,5 м от поверхности забоя температура составляла Т = 20° — 25° С и далее на расстоянии 12,0-13,0 м от поверхности забоя температура была равна Т = 39° — 40° С. Такое волнообразное изменение температуры впереди движущейся лавы авторы работы [35] объяснить не смогли.
Выполненные обзор литературы, обобщение опыта ведения горных работ на шахтах Донбасса и анализ данных шахтных экспериментальных исследований [25, 30-35] позволили разработать геомехано-газотермодинамическую модель формирования выбросоопасных зон на локальном и текущем уровнях [8].
8. Полученные результаты. Выполненные анализ литературы, статистический анализ внезапных выбросов угля и газа, произошедших на шахтах Донбасса, обобщение шахтных экспериментальных исследований и опыта ведения горных работ на шахтах Донбасса за последние 65 лет позволили разработать новые физико-химическую и геомеханогазотермодинамическую модели формирования и проявления внезапных выбросов угля и газа в угольных шахтах [8]. Использование основных положений вышеуказанных моделей позволило получить следующие результаты.
1. Разработаны новые рабочие гипотезы формирования и проявления внезапных выбросов угля и газа: а) в ряду метаморфизма; б) с ростом глубины; в) проявления внезапных выбросов по площадям [36]. Выполнены статистическая, аналитическая и экспериментальная проверка основных положений этих рабочих гипотез.
2. Получены два патента на полезные модели, в которых изложены усовершенствованные способы ведения регионального прогноза выбросоопасности угольных пластов Донбасса [37, 38].
3. С учетом марочного состава углей и углов падения угольных пластов для углей разных групп метаморфизма предложены значения минимальных глубин проявления внезапных выбросов угля и газа Нмин, м [39].
4. Для шахт Донбасса определены граничные условия проявления внезапных выбросов угля и газа для углей низких стадий метаморфизма: V< 43, %; Хпр > 8, 0 м3/т.с.б.м.; у > 6, 0 мм [39]
5. Построен график обобщенной кривой, описывающей характер изменения комплексного показателя степени метаморфизма углей 5м об в ряду углефика-ции на шахтах Донбасса [40].
Выводы. Проанализированы недостатки модели, предложенной В.В. Ходо-том, о формировании выбросоопасных зон в угольных пластах. Показаны преимущества применения новых разработанных физико-химической и геомехано-газотермодинамической моделей формирования выбросоопасных зон в угольных
пластах.
Рассмотрены взаимосвязи, взаимообусловленность и совместное воздействие геологических, тектонических, технологических и геомеханических факторов на изменения газодинамических и термодинамических параметров в призабойной части разрабатываемых угольных пластов.
Показано, что деформационно-волновые процессы, протекающие в слоистом углепородном массиве, обусловливают волнообразное изменение опорного давления в призабойной части разрабатываемых угольных пластов и вызывают сложные, нелинейные изменения газодинамических и термодинамических параметров в угольном массиве.
Применение основных положений разработанных физико-химической и гео-механо-газотермодинамической моделей позволяет выполнить многоуровневую комплексную оценку состояния призабойной части угольных пластов. Указанная многоуровневая комплексная оценка включает в себя поэтапный анализ, который выполняется последовательно на региональном, локальном и текущем уровнях. При проведении данной оценки состояния призабойной части угольных пластов рассматривается и учитывается совместное воздействие геологических, тектонических, технологических и геомеханических факторов на изменения газодинамических и термодинамических параметров угольного массива.
Основные положения разработанной методики комплексной оценки состояния призабойной части газоносных угольных пластов при их отработке могут быть успешно применены в условиях угольных шахт Российской Федерации, Казахстана, Вьетнама, Китая, Ирана, а также в условиях угольных месторождений Африки и Южной Америки.
1. Ходот В.В. Внезапные выбросы угля, породы и газа / В.В. Ходот // М.: Госгортехиздат, 1961. - 363 с.
2. СОУ 10.1.00174088.011-2005 Правила ведения горных работ на пластах, склонных к газодинамическим явлениям. - Киев: Минуглепром Украины, 2005. - 225 с.
3. РД-350-00 Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа. - М.: Госгортехнадзор России, 2000. - 160 с.
4. Минеев С.П. Горные работы в сложных условиях на выбросоопасных угольных пластах: [монография] / С.П. Минеев, А.А. Рубинский, О.В. Витушко, А.Г. Радченко // Донецк: ООО «Восточный издательский дом», 2010. - 603 с.
5. Потураев В.Н. Прогноз и предотвращение выбросов пород и газа / В.Н. Потураев, А.Н. Зорин, В.Е. Забигайло и др. // К.: Наукова думка, 1986. - 160 с.
6. Лобков Н.И. Общность природы формирования выбросоопасности солей, порфиритов и песчаников / Н.И. Лобков, А.Г. Радченко, А.А. Радченко //В кн.: Проблемы и перспективы комплексного освоения и сохранения земных недр. Под редакцией академика К.Н. Трубецкого // Составители: канд. техн. наук А.З. Вартанов, канд. техн. наук А.Г. Красавин, канд. техн. наук Н.А. Милетенко - М.: ИПКОН РАН. - 2016. - С. 430-433.
7. Радченко А.Г. Структурно-химические свойства углей в ряду метаморфизма и их выбро-соопасность / А.Г. Радченко, Н.Н. Киселев, С.М. Федотов, А.А. Радченко // Проблемы горного давления. - 2020. - № 1-2 (38-39). - С.121-139.
8. Радченко А.Г. Новые модели формирования выбросоопасных зон в угольных пластах на региональном и текущем уровнях / А.Г. Радченко, Н.Н. Киселев, С.М. Федотов, Т.А. Решетняк, А.А. Радченко // Журнал теоретической и прикладной механики. - 2021. -
№ 3 (76). - С. 53-68.
9. Геологический отчет о переоценке запасов каменных углей поля шахты «Калиновская-Восточная» ПО «Макеевуголь» (подсчет запасов по состоянию на 01.01.1989 г.) в 10 книгах, четырех папках. Книга 2. МУП СССР, ПО «Укруглегеология», Макеевская геологоразведочная экспедиция. Текст отчета, Донецк, - 1989. - 166 с.
10. Ильяшов М.А. Закономерности самоорганизации грунтовых и породных массивов, ослабленных подземными выработками / М.А. Ильяшов., Б.М. Усаченко, А.А. Яланский [и др.] // Материалы международной конференции «Форум горняков - 2008». - Днепропетровск: НГУ, 2008. - С. 59-72.
11. Научное открытие № 188. Явление образования перемещающихся нарушенных зон в напряженных горных породах / В.Я. Кириченко, Е.Л. Звягильский, А.В. Левшин [и др.] // Сборник кратких описаний научных открытий, научных идей, научных гипотез. - 2002. - С. 62-63.
12. Усаченко Б.М. Синергетические эффекты и волновая природа геомеханических процессов в углепородном массиве / Б.М. Усаченко, А.А. Яланский, Т.А. Паламарчук , В.В. Левит // Сб. научн. тр. НГУ. - 1998. - №3. - С. 58-61.
13. Канлыбаева Ж.М. Закономерности сдвижения горных пород в массиве / Ж.М. Канлыба-ева. - Алма-Ата: изд. «Наука», 1968. - 108 с.
14. Гавриленко Ю.Н. Исследование сдвижения земной поверхности при нарушенном залегании пород в Донецко-Макеевском районе Донбасса / Ю.Н. Гавриленко // Известия вузов. Горный журнал. - 1991. - № 3. - С. 55-62.
15. Петухов И.М. Механика горных ударов и выбросов / И.М. Петухов, А.М. Линьков. - М.: Недра, 1983. - 280 с.
16. Петухов И.М. Теория защитных пластов / И.М. Петухов, А.М. Линьков, В.С. Сидоров, И.А. Фельдман. - М.: Недра, 1976. - 224 с.
17. Киселев Н.Н. Анализ способа расчета величины опорного давления / Н.Н. Киселев, Л.А. Камбурова, А.Г. Радченко, А.А. Радченко // Проблемы горного дела. - Донецк: Институт горного дела и геологии. ГОУВПО «ДонНТУ», 2021. - С. 109-114.
18. Лобков Н.И. Геодинамические основы формирования опорного давления в результате по-двигания очистных забоев] / Н.И. Лобков, А.Г. Радченко // Журнал теоретической и прикладной механики. - 2023. - № 3 (84). - С. 132-139. - doi:10.24412/0136-4545-2023-3-132-139. - EDN:ZJFAUG.
19. Лобков Н.И. Алгоритм прогнозирования максимального опорного давления в процессе работы лавы / Н.И Лобков, В.С. Маевский, А.А. Лобков // Журнал теоретической и прикладной механики. - 2021. - № 2 (75). - С. 74-82.
20. Лобков Н.И. Влияние сдвижения пород кровли на возможность концентрации свободного метана впереди лавы / Н.И Лобков, В.С. Маевский, Н.С. Федосова, А.А. Лобков // Труды РАНИМИ: сб. научн. тр. - 2022. - № 16-17 (31-32). - С. 41-45.
21. Дырдин В.В. Образование «газового мешка» в зоне опорного давления угольного массива впереди забоя очистной выработки / В.В. Дырдин, А.А. Фофанов, В.Г. Смирнов, А.В. Дягилева // Известия вузов. Горный журнал. - 2017. - № 4. - С. 41-46.
22. Шинкевич М.В. Взаимосвязи основных особенностей процессов разгрузки и сдвижения вмещающих пород с динамикой выделения метана из разрабатываемого пласта при его отработке длинными выемочными столбами / М.В. Шинкевич, Е.Н. Козырева // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2006. - № 6. - С. 17-19.
23. Шинкевич М.В. Изменения горного давления по длине лавы / М.В. Шинкевич // Вестник НЦ ВостНИИ. - 2018. - № 3. - С. 38-44.
24. Петросян А.Э. Причины возникновения внезапных выбросов угля и газа / А.Э. Петросян, Б.М. Иванов // Основы теории внезапных выбросов угля, породы и газа. - М.: Недра, 1978. - С. 3-61.
25. Киселев Н.Н. Исследование особенностей изменения газодинамического и напряженно-деформированного состояний в призабойной части пласта d4 / Н.Н. Киселев, В.П. Коп-тиков, А.Г. Радченко, А.А. Радченко // Науковi пращ УкрНДМ! НАН Украши. - 2011. -
Вип. 9, ч. 1. - С. 336-342.
26. Zhang B. Evolution Law of Coal Seam Abutment Pressure under the Influence of Shallow Buried Complex Strata: A Case Study / B. Zhang., D. Sun, R. Zheng // Shock and Vibration.
- 2021. - Vol. 2021. - 13 p. - doi:10.1155/2021/6670175.
27. Полевщиков Г.Я. «Деформационно-волновые» процессы в массиве горных пород при движении очистного забоя в угольных пластах / Г.Я. Полевщиков. - Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2013. - № 5. - С. 50-60.
28. Бобров И.В. Способы безопасного проведения подготовительных выработок на пластах, опасных по внезапным выбросам угля и газа / И.В. Бобров. - М.: Госгортехиздат, 1961. -263 с.
29. Булат А.Ф. Некоторые проблемы газодинамических явлений в угольном массиве в контексте нелинейной неравновесной термодинамики / А.Ф. Булат, В.И. Дырда // Геотехническая механика. - 2013. - Вып. 108. - С. 3-30.
30. Опарин В.Н. О некоторых особенностях взаимодействия между геомеханическими и физико-химическими процессами в угольных пластах Кузбасса / В.Н. Опарин, Т.А. Киряева, В.Ю. Гаврилов, Р.А. Шутилов, А.П. Ковчавцев, А.С. Танайно, В.П. Ефимов, И.Е. Астра-ханцев, И.В. Гренев // ФТПРПИ. - 2015. - № 2. - С. 3-30.
31. Киряева Т.А. Изменение температуры при разработке углеметанового пласта - как мера его выбросоопасности / Т.А. Киряева // German International Journal of Modern Science.
- 2021. - № 6. - P. 11-14.
32. Киряева Т.А. К вопросу о механизме возникновения высоких температур при разработке угольных пластов / Т.А. Киряева., Р.И. Родин // Уголь. — 2010. — № 2. — С. 29-31. — URL: https://rucont.ru/efd/461237.
33. Лобков Н.И. Особенности распределения температуры по площадям в угольных пластах и вмещающих породах / Н.И. Лобков, А.Г. Радченко // Материалы 6-й конференции Международной научной школы академика РАН К.Н. Трубецкого «Проблемы и перспективы комплексного освоения и сохранения земных недр», 17-21 июня 2024 г. - М.: ИПКОН РАН, 2024. - С. 58-61.
34. Рыженко И.А. Прогноз выбросоопасности призабойной части пластов по температурному режиму / И.А. Рыженко, И.Я. Еремин // Уголь Украины. - 1988. - № 3. - С. 36-38.
35. Фейт Г.Н. Некоторые результаты натурных исследований температуры угольных пластов в зоне влияния горных выработок / Г.Н.Фейт, Э.И.Гайко, С.М.Денисенко, П.М.Канцан // Вопросы вентиляции и борьбы с газом и внезапными выбросами в угольных шахтах: Науч. сообщ. / Ин-т горн, дела им. А.А.Скочинского. - 1977. - Вып. 157. - С. 141-144.
36. Анциферов А.В. Краткий исторический обзор геологических и научных исследований залежей угольных пластов в Донбассе / Анциферов А.В., Киселев Н.Н,. Радченко А.Г., Федосова Н.С., Новикова О.А., Радченко А.А. // Проблемы горного давления. - 2022. -№ 1-2 (42-43). - С. 3-32. - URL: http://pgd.donntu.ru
37. Патент на полезную модель № 68676. Способ определения категории выбросоопасности угольных пластов низкой и средней стадий метаморфизма углей. Номер заявки: U 2011 09993, Е 21F 5/00. / В.А. Канин, Н.Н. Киселев, А.Г. Радченко, А.А. Радченко, Н.В. Жолоб.
- Дата публикации 10.04.2012. - Бюл. №7.-4 с.
38. Патент на полезную модель № 75981. Способ определения категории выбросоопасности угольных пластов. Номер заявки: U 2012 04854, Е 21F 5/00. / В.А. Канин, Н.Н. Киселев,
B.П. Коптиков, А.Г. Радченко, А.А. Радченко. - Дата публикации 25.12.2012. - Бюл. № 24. - 5 с.
39. Анциферов А.В. Граничные условия и минимальные глубины проявления внезапных выбросов угля и газа на шахтах Донбасса / А.В. Анциферов, Н.Н. Киселев, А.Г. Радченко,
C.М. Федотов, А.А. Радченко // Труды РАНИМИ. - 2020. - № 10-11 (25-26). - С. 204-223.
40. Анциферов А.В. Внезапные выбросы углей и газа в условиях Донбасса в ряду метаморфизма и с ростом глубины / А.В. Анциферов, Л.А. Камбурова, Н.Н. Киселев, Радченко А.Г., Радченко А.А. // Труды РАНИМИ. - 2019. - № 8 (23), ч. 2. - С. 173-192.
N.I. Lobkov, A.G. Radchenko
Features of the formation of dangerous geomechanical phenomena in rock layers and in coal seams.
The importance of complex consideration of the influence of geological, tectonic, techno-logical and geomechanical processes on gas-dynamic and thermodynamic parameters, physico-mechanical, gas-kinetic properties and stress-strain state of rock layers and coal seams is shown. The analysis of the shortcomings of the physico-mechanical model proposed by V.V. Khodot on the formation of explosive zones in coal seams has been performed. The advantages and advantages of using new physico-chemical and geomechanical-gas-thermodynamic models for the formation of explosive zones in coal seams are considered. The use of physico-chemical and geomechanical-gas-thermodynamic models is an important condition for ensuring the adoption of correct engineering decisions and contributes to increasing the level of safe mining operations in various difficult mining and geological conditions.
Keywords: emissions of rock layers, emissions of coal and gas, physico-mechanical model, physico-chemical model, geomechanical-gas-thermodynamic model, gas-dynamic parameters, thermodynamic parameters, mining safety.
Статья поступила в редакцию 09.08.2024; доработана 02.09.2024; рекомендована к печати 13.09.2024.
