CC BY
0УДК 622.231.76
В. А. Канин, Ю. А. Пивень, М. Д. Рожко
ОЦЕНКА УДАРООПАСНОСТИ КАМЕННОУГОЛЬНЫХ И АНТРАЦИТОВЫХ ПЛАСТОВ НА ШАХТАХ ДОНЕЦКОГО УГОЛЬНОГО БАССЕЙНА
В статье рассмотрены особенности горно-геологических и горнотехнических условий формирования горных ударов при разработке каменноугольных и антрацитовых пластов, а также показаны конкретные примеры использования региональных и локальных методов оценки удароопасности угольных пластов.
Ключевые слова: разработка каменных углей и антрацитов, склонность пластов к горным ударам, региональные и локальные способы оценки удароопасности угольных пластов.
Введение. На шахтах Донецкого каменноугольного бассейна большинство разрабатываемых угольных пластов склонны к газодинамическим явлениям (ГДЯ), которые проявляются в форме внезапных выбросов угля и газа. Также имеется ряд пластов, которые при выемке угля склонны к проявлению динамических явлений в форме горных ударов. Оба эти явления приводят к крупным авариям на шахтах с повреждением горных выработок, горных машин и механизмов, к травматизму, а иногда и к гибели людей. Поэтому вопросы своевременного установления склонности угольных пластов к газодинамическим и динамическим явлениям, разработка и применение профилактических мероприятий по их предотвращению являются важнейшей производственно-технической и социальной задачей по обеспечению безопасности труда в шахтах и повышению рентабельности производства. Республиканским Академическим научно-исследовательским и про-ектно-конструкторским институтом горной геологии, геомеханики, геофизики и маркшейдерского дела (РАНИМИ) и Всероссийским научно-исследовательским институтом горной геомеханики
и маркшейдерского дела (ВНИМИ) выполнены большие объемы экспериментальных исследований природы и механизма проявлений ГДЯ и горных ударов на угольных шахтах Донецкого бассейна. Разработаны нормативные документы по выполнению прогноза газодинамических явлений и применению мер борьбы с ГДЯ и с горными ударами [1] - [4]. При этом разработаны оценочные критерии определения склонности угольных пластов к ГДЯ и горным ударам по характерным предупредительным признакам газодинамических явлений, происходящих при ведении горных работ. Такими предупредительными признаками являются возникающие толчки и трески в угольном массиве, отскакивания (стреляния) кусков угля от забоя выработок в процессе ведения горных работ, выход буровой мелочи с увеличением ее крупности и повышенным газовыделением при бурении скважин и шпуров по углю.
Весьма показательным для пластов, склонных к горным ударам, является способность оставленных на нем целиков с недостаточными размерами накапливать энергию упругого сжатия и по истечении некоторого времени разрушаться в форме горных ударов при достижении определенных размеров выработанного пространства, обусловливающего при увеличении его протяженности рост нагрузки опорного давления на краевую часть угольного массива. В результате выработки, охраняемые целиками на таких пластах, становятся объектами крупных горных ударов. Результаты исследований, выполненных на шахтах Донецкого бассейна [1], [2], показали, что к потенциально угрожаемым по горным ударам относятся угольные пласты или их участки на глубинах разработки более 300 м с прочностью угля на одноосное сжатие 8-10 МПа при наличии непосредственно в кровле пласта монолитных песчаников или известняков мощностью не менее 20 м с прочностью на сжатие не менее 80 МПа. Шахтными исследованиями установлено также, что вышеуказанные горногеологические условия, характерные для формирования горных ударов на крепких, монолитных угольных пластах, не всегда могут характеризовать антрацитовые пласты мощностью более 1,0 м как склонные к горным ударам. Такие пласты при наличии интенсивной системы кливажных трещин, имея повышенную
прочность составляющих его мелких по размерам отдельностей, способны в краевых частях по этим трещинам деформироваться псевдопластически под воздействием повышенного горного давления. Поэтому опасной концентрации упругой энергии сжатия на таких пластах может не происходить.
В настоящее время единственным нормативно-правовым документом, регламентирующим производство горных работ на пластах, склонных к горным ударам, в том числе и на шахтах Донбасса, является «Инструкция по прогнозу динамических явлений и мониторингу массива горных пород при отработке угольных месторождений» [5]. Но следует отметить, что все эмпирические зависимости в этой «Инструкции...» были получены, главным образом, в условиях Восточных и Северных месторождений угля Российской Федерации. Для распространения этих зависимостей на шахты Донецкого бассейна их корректировка не производилась. Угольные пласты, на которых за все время их отработки никогда не отмечались признаки удароопасности, начали относиться к угрожаемым по горным ударам с глубины 200 м, независимо от прочностных характеристик угля. Поэтому целью настоящей работы является демонстрация возможности использования положений «Инструкции.» [5] и опыта оценки ударо-опасности угольных пластов на шахтах Донецкого бассейна [6] - [8].
Методы исследования. Согласно «Инструкции.» [5] к категории угрожаемых по горным ударам относятся угольные пласты с глубины, на которой при ведении горных работ произошли события, предшествующие горным ударам, или с глубины, на которой на этих же пластах, отрабатываемых соседними шахтами, произошли горные удары (Нгор.уд.).
Региональный прогноз удароопасности угольных пластов выполняется по параметру ИР, который при глубине ведения горных работ свыше 200 м, согласно пункту 43 «Инструкции.» [5], вычисляется по формуле:
!Р=0,01Н+0,009аПор.сж. + 0,1шПроЧ.пор.осн.кр. + 0,6 - Р4 (1)
где Н - максимальная глубина залегания угольного пласта, для которого определяется его склонность к горным ударам;
Спор.сж. - предел прочности на одноосное сжатие пород, залегающих в основной кровле угольного пласта, МПа;
тпроч.пор.оснкр. - максимальная мощность прочных пород основной кровли, м.
Р4 = 1,0 + Шд. обр. кр. / Швын. уг. пл.,
где Шл. обр. кр. - принимается равной минимальной мощности пород, залегающих над пластом, предел прочности которых на одноосное сжатие опор.сж.< 50 МПа, м;
Швын. уг. пл. - мощность вынимаемого слоя угольного пласта, м.
Каменноугольный пласт относится к категории угрожаемых по горным ударам при величине параметра ИР > 4, антрацитовый пласт - при ИР > 7.
Следует, однако, отметить, что все коэффициенты, используемые в формуле (1), которая соответствует формуле (3) на странице 14 «Инструкции...» [5], были получены исключительно эмпирическим путем для условий отработки угольных пластов в Кузнецком каменноугольном бассейне. Для распространения этой формулы на шахтах Донецкого бассейна ее корректировка не производилась. Кроме того, в этой формуле, используются только параметры, характеризующие геомеханические свойства вмещающих пород, и отсутствуют характеристики слагающего пласт угля, которые имеют не меньшее значение, чем характеристики пород. Когда пласт представлен прочным хрупким углем, способным накапливать энергию упругого сжатия под действием мощного слоя прочной породы, то при резком изменении напряженного состояния этого пласта в призабойной зоне горной выработки велика вероятность его динамического разрушения в форме горного удара. При низкой прочности угля или, независимо от его прочности, но при наличии в угле развитой системы эн-до- и экзогенной трещиноватости он не способен накапливать большие запасы энергии упругого сжатия и деформируется во псевдопластическом режиме в форме отжима или, в крайнем случае, в форме внезапного выдавливания угля. Если последнее обстоятельство не принимать во внимание, а согласно п. 43 «Инструкции.» [5], оно и не принимается, то большинство уголь-
ных пластов на шахтах Донецкого бассейна при региональной оценке их удароопасности были отнесены [2] к категории угрожаемых по горным ударам, независимо от многолетнего опыта их разработки. Выход из этого положения есть. Он обозначен в приложении 2 «Инструкции.» [5], где представлена схема проведения прогноза горных ударов, в которой четко определен порядок выхода из этой ситуации. Он заключается в том, что отнесение региональным прогнозом какого-либо пласта к категории угрожаемых, не является окончательным вердиктом. Следующим шагом в этой схеме является уточнение отнесения угольного пласта к категории удароопасности на достигнутой фактической глубине. И если на этом этапе будут получены данные, что угольный пласт на исследованном участке относится к категории «не угрожаемый», то дальнейшие горные работы на этом участке можно вести без прогноза.
Локальный прогноз удароопасности каменноугольных и антрацитовых пластов осуществляется по выходу буровой мелочи, полученной при бурении по наиболее прочной угольной пачке контрольных шпуров диаметром 42-44 мм и длиной, как правило, 3-4 м. К категории «неопасно», согласно пункту 66 «Инструкции.» [4], относятся участки каменноугольных пластов, на которых выход буровой мелочи, определенный на всех интервалах бурения шпура, удовлетворяет одному из следующих условий:
Рт < 10,8(!Ин.скв./туг.пл.)/(12,6 - 1ин.скв./туг.пл.) + 2,74 (2) Ру < 13,5(!ин.скв./туг.пл.)/(12,6 - !ин.скв./туг.пл.) + 3,43 (3)
При разработке антрацитовых пластов к категории «неопасно» относятся их участки, на которых выход буровой мелочи определенный на всех интервалах бурения шпура, удовлетворяет условию:
Р < 58(и.скв/Шуг.пл.)/(18,2 - ¿ин.скв/^уг.пл.) + 1,9 (4)
где Рт - масса буровой мелочи с одного метра шпура, кг/м;
Ру - объем буровой мелочи с одного метра шпура, л/м;
1ин.скв. - расстояние от устья шпура до конца интервала, на котором определялся объем или масса буровой мелочи, м;
туг.пл. - мощность угольного пласта, м.
Избыточный выход буровой мелочи наблюдается на участках угольных пластов, испытывающих повышенные напряжения. Чем больше нагрузка на пласт, тем в большем объеме разрушается уголь вокруг внедряющейся в пласт буровой коронки. Многочисленными исследованиями [9], [10] установлено, что разрушение стенок шпура (скважины) на определенную величину его радиуса происходит при нагрузках, превышающих в 2,0-2,5 раза прочность угля на одноосное сжатие. Рассчитать повышенные напряжения в какой-либо точке очистного или подготовительного забоя по удельному выходу буровой мелочи можно по формуле [7]:
а = К* (1 + 2 ЫР), где К* - комплексный показатель прочностных свойств угля с учетом мощности пласта, контактных условий, сцепления и угла внутреннего трения, МПа. При мощности пласта m > 0,7 м показатель К* = 1,3осж, а при m < 0,7 м показатель К* = 1,75осж;
в - отношение радиуса области неупругих деформаций R к радиусу шпура R0, которое определяется по факту превышения выхода штыба с единичной длины шпура к норме, рассчитанной по диаметру коронки с учетом разрыхления угля в зоне неупругих деформаций.
р = ± = IJ+ï-I,
Н До Л/ 4 2' 3Snp-np-2
где 8 - отношение фактического выхода буровой мелочи Р с одного метра шпура к ее нормальному выходу с одного метра шпура Рн, равного 2,5 литра (при диаметре коронки 43 мм);
Пр - коэффициент разрыхления угля на поверхности шпура, равный 1,3.
На основании имеющихся результатов определения прочностных характеристик угля получена [7] зависимость напряжений о в пласте от выхода буровой мелочи Р из шпуров, которая в графическом виде представлена на рисунке 1.
Удароопасность угольных пластов при производстве горных работ устанавливается также по упругим характеристикам угля, в качестве которых используется коэффициент удароопасности
(Куд), определяемый, согласно пункту 44 «Инструкции...» [5], по формуле:
Куд = 100(£упр/£полн ), (5)
где вупр - относительная упругая деформация образца угля, отобранного в краевой части при искусственно созданной нагрузке, составляющей 75-80 % разрушающей нагрузки, %;
£полн - полная относительная деформация образца угля, отобранного из краевой части угольного пласта при искусственно созданной нагрузке, %.
При Куд > 70 % угольный пласт, согласно [2], [4], относится к угрожаемым по горным ударам, а при Куд < 70 % - к неопасным.
о,
60
50 40 30 20 10
2 4 6 8 10 12 14 р
Рис. 1 - Зависимость напряжений о в пласте от количества выхода буровой мелочи Р из шпуров
Результаты исследований и их обсуждение. К настоящему времени сопоставление результатов оценки удароопасности угольных пластов Донецкого бассейна по приведенным выше методикам с фактическими результатами проявления удароопасно-сти пластов в тех же условиях было выполнено на ряде шахт Центрального геолого-промышленного района, Донецко-
Макеевского района, Краснодонского, Должано-Ровенецкого и Боково-Хрустальского.
Наибольшее количество шахтопластов (38 ед.), отнесенных к категории угрожаемых по горным ударам, согласно «Каталога.» [2], изданного в 1984 году, и происшедших (официально зарегистрированных) с 1973 года горных ударов (33 ед.), относятся к Центральному геолого-промышленному району Донбасса. Наиболее информативные из них в количестве 24-х горных ударов представлены в таблице 1. Не вошли в эту таблицу шесть горных ударов на шахте им. Изотова, происшедшие с 24.07.1982 года по 28.02.1983 года на горизонте 770 м в одинаковых горно-геологических условиях.
Таблица 1 - Сравнение результатов региональной оценки удароопасности угольных пластов в Центральном районе Донбасса с глубинами фактического проявления горных ударов
Глубина перевода угольного пласта
№п/ Объединение, шахта, Дата и глубина в угрожаемые по горным ударам [2], м
п пласт первого гор- в особо в в под-
ного удара сложных условиях очистных забоях готовительных забоях
1 2 3 4 5 6
1 Дзержинскуголь, шахта № 10 ш/у «Торецкое», лава, Ш40 21.08.1973 250 м 150 200 250
2 Дзержинскуголь, им. Дзержинского, лава, т40 31.03.1977 916 м 200 640 900
3 Дзержинскуголь, «Северная», лава, т40 27.10.1985 850 м 300 620 940
4 Дзержинскуголь, им. Артема, просек, 15 05.06.1990 1080 м 300 640 980
5 Артемуголь, им. Гагарина, лава, ¡5 15.11.1977 710 м 300 500 800
6 То же 13.12.1973 710 м 300 500 800
7 Артемуголь, им. Ленина, штрек, ¡5 15.03.1975 860 м 300 540 970
8 Артемуголь, «Комсомолец», лава, т40 03.08.1976 760 м 200 620 970
Продолжение таблицы 1
1 2 3 4 5 6
10 Артемуголь, «Александр-Запад», лава, Н10 25.09.1980 730 м 200 380 860
11 Артемуголь, им. Гагарина, лава, Н10 19.03.1981 690 м 300 500 700
12 То же 08.05.1981 690 м 300 500 700
13 Артемуголь, «Александр-Запад», лава, Н10 09.09.1981 700 м 200 380 860
14 То же 18.12.1981 720 м 200 380 860
15 Артемуголь, «Александр-Запад», просек, 15 13.03.1982 730 м 400 550 700
16 Артемуголь, им. Изотова, лава, 7 29.03 1982 780 м 500 600 870
17 То же 20.05.1982 780 м 500 600 870
18 Артемуголь, им.Ленина, разрез, ¡21 02.02.1984 900 м 300 540 970
19 Артемуголь, «Александр-Запад», лава, Н10 19.08.1984 700 м 200 380 860
20 Артемуголь, «Кочегарка», просек, ¡5 31.10.1985 1070 м 300 500 640
21 Артемуголь, им. Калинина, просек, ¡5 11.02.1988 950 м 300 520 850
22 Артемуголь, им. Гагарина, лава, Ш40 11.03.1988 800 м 300 500 800
23 Артемуголь, им. Ленина, печь, ¡7н 26.03.2001 1080 м - - -
24 Орджоникидзеуголь, «Александровская», лава, ¡5 13.06.1975 440 м 300 400 500
25 Орджоникидзеуголь, «Углегорская», лава, Н10 15.01.1982 528 м 300 400 500
При анализе данных этой таблицы следует обратить внимание на следующие моменты:
- глубина произошедших горных ударов изменяется от 250 м до 1 080 м. На минимальной глубине горный удар произошел на шахте № 10 Торецкого шахтоуправления в уступе № 3 лавы пласта Ш4в в зоне повышенного горного давления (ЗПГД) от
целика, оставленного на пласте тз, то есть в особо сложных условиях, при которых граница угрожаемости располагалась на глубине 150 м. На максимальной глубине горные удары в Центральном районе произошли в подготовительных выработках на шахте им. Артема ГП Дзержинскуголь (пласт /5) и шахте им. Ленина ГП Артемуголь (пласт /7").
- в особо сложных условиях разработки угольных пластов (в зонах тектонических нарушений, в ЗПГД и при залегании в кровле мощных слоев прочных пород) расстояние по вертикали между прогнозными границами угрожаемости пластов по горным ударам и глубиной происшедших горных ударов изменяется от 100 до 780 м.
- в очистных забоях расстояние по вертикали между прогнозными границами угрожаемости угольных пластов по горным ударам и глубиной происшедших горных ударов изменяется от 50 до 440 м. В подготовительных выработках это расстояние изменяется от 30 до 430 м.
Таким образом, во всех рассмотренных случаях динамические явления в форме горных ударов происходили исключительно ниже границы отнесения угольных пластов к категории угрожаемых по горным ударам. Это означает, что региональная оценка удароопасности угольных пластов по данным геологоразведочных скважин гарантирована от ошибок I рода, когда за пределами угрожаемых зон (в не опасных зонах) горные удары не происходили. Однако, ошибки II рода, когда в угрожаемой зоне горные удары происходили или на очень большом расстоянии от нее, или не происходили вовсе, встречались достаточно часто. В подтверждение этому, помимо данных, представленных в табл.1, можно привести еще ряд случаев из «Каталога.» [2]. Например, на шахте «Новопавловская» ГП «Донбассантрацит» пласт Не, сложенный углем марки А, был переведен в категорию угрожаемых с глубины ведения горных работ 330 м. В пределах шахтного поля пласт Не мощностью 1,1-2,5 м имел трех пачечное строение с прослоями углистого сланца мощностью от 0,11 до 0,25 м. Непосредственной кровлей пласта являлся глинистый сланец мощностью до 1,9 м, слабый, с многочисленными тонкими прожилками угля. В основной кровле пласта залегал мелко и средне-
зернистый кварцево-слюдистый песчаник мощностью 4,2-17,0 м. За все время отработки пласта с 1952 по 2013 год, при достигнутой глубине ведения горных работ 845 м, ни одного из проявлений горных ударов или их признаков не было зафиксировано. Единственным проявлением горного давления при разработке пласта Не был технологический отжим и высыпания угля. В 2013 году РАНИМИ выполнил оценку удароопасности пласта Не на гор. 845 м по упругим характеристикам угля, согласно пункту 44 «Инструкции.» [5]. Полученные по формуле (5) значения Куд изменялись в пределах 20-38 %, при том, что угольный пласт относится к неопасным по горным ударам при Куд < 70 %. На основании этого было принято решение, что угольный пласт Не на шахте «Новопавловская» до глубины 860 м относится к неопасным и не угрожаемым по горным ударам.
На шахте «Партизанская» ПО «Антрацит» антрацитовый пласт Н10 мощностью 1,35-1,69 м был отнесен к категории угрожаемых по горным ударам с глубины 400 м. Непосредственной кровлей пласта являлся сланец песчано-глинистый (т = 1,0-2,9 м) средней крепости, трещиноватый с большим количеством слюдистого материала по напластованию. Основная кровля - сланец песчаный, устойчивый, мощностью 18-28 м. При отработке лав №№ 7-16 длиной 100-300 м управление кровлей осуществлялось путем оставления в выработанном пространстве через 10-50 м по простиранию пласта угольных целиков шириной 5-50 м на всю длину очистных забоев. В лавах №№ 181-205, где выемка угля осуществлялась угольными комбайнами с механизированными крепями управление кровлей осуществлялось полным обрушением. При использовании этих систем разработки за период работы шахты до 1998 года при достигнутой глубине ведения горных работ 1150 м не было зафиксировано ни одного признака удароопасности. В 1998 году УкрНИМИ (ныне РАНИМИ) выполнил контрольную оценку удароопасности пласта Н10 по выходу буровой мелочи согласно «Инструкции.» [5]. Выход буровой мелочи с каждого погонного метра шпуров, пробуренных в забоях действовавших выработок не превышал 3,0-3,5 л. Поэтому граница безопасного по горным ударам ведения горных работ на пласте Н10 была сдвинута до гор. 1 200 м. В 2013 году при проведении
конвейерного уклона ниже горизонта 20-го откаточного штрека (глубина 1200 м) возникла необходимость уточнения склонности пласта Ню к горным ударам ниже горизонта 1 200 м. Эта задача была решена РАНИМИ двумя методами: согласно пункту 66 «Инструкции...» [5] по выходу буровой мелочи из контрольных шпуров диаметром 42-44 мм, пробуренных на глубину 2,0 м в стенку людского уклона, пройденного рядом с конвейерным уклоном, и согласно пункту 44 «Инструкции.» [5] по упругим характеристикам угля, также отобранного из стенок людского уклона. Полученные результаты - выход буровой мелочи с каждого погонного метра шпуров не превышал 2,2 л, что соответствует 111-й (неопасной по горным ударам) категории; доля упругих деформаций в общей деформации угля Куд = 35-40 % при критическом уровне Куд < 70 %.
Шахта «Самсоновская-Западная» ПП «Краснодонуголь» ООО «ТОРГОВЫЙ ДОМ» ДОНСКИЕ УГЛИ» имеет на своем балансе три наиболее производительных угольных пласта - ¡зв, к2н, 1зв с углями марок Г и Ж, мощностью 0,8-1,75 м и преобладающими углами падения 0-20 В настоящее время горные работы ведутся только по пласту к2н в уклонной части основного откаточного горизонта 956 м длинными столбами по простиранию. Столбы отрабатываются обратным ходом. Длина лав составляет 250-300 м, длина выемочных столбов - 900-1 500 м. Выемка угля осуществляется комплексами 2КД-90Т. Управление кровлей -полное обрушение. Угольный пласт к2н сложного строения (2-4 угольные пачки) общей мощностью 0,85-1,55 м при среднем значении 1,15 м. Качественные показатели угля: предел прочности на одноосное сжатие Осж = 10-15 МПа; влага общая (рабочая) Wtг = 4,0 %; выход летучих веществ Уааг = 35,1 %; марка угля - Ж. Трещиноватость угля представлена двумя системами эндогенной трещиноватости и четырьмя системами экзогенной трещиновато-сти. Непосредственная кровля пласта к2н общей мощностью 08,6 м (при среднем значении 3,98 м) представлена чередующимися слоями неустойчивых и малоустойчивых аргиллитов (кат. Б1-Б3), алевролитов (кат. Б3-Б3) и плитчатых песчаников (кат. Б3-Б4). Основная кровля представлена песчаником к2н8Кз1 мощно-
стью 28,8-45,1 м при среднем значении 36,6 м, труднообрушае-мым (кат. А3), слаботрещиноватым, водоносным, газоносным.
Угольный пласт к2н на шахте «Самсоновская-Западная» отнесен к опасным по внезапным выбросам угля и газа из-за примыкания его технических границ к полям выбросоопасных шахт «Молодогвардейская» и им. 50-летия СССР», но за время строительства и эксплуатации шахты «Самсоновская-Западная» выбросы угля и газа, как внезапные, так и спровоцированные сотрясательным взрыванием, на пласте к2н зарегистрированы не были. В настоящее время глубина ведения очистных работ составляет 675-730 м.
Что касается удароопасности пласта к2н, то за весь период работы шахты «Самсоновская-Западная», включая и проведение выработок на горизонте 956 м и отработку лав длиной 300 м, что, безусловно, сопровождалось зависанием пород кровли над при-забойным пространством, и оставление ряда протяженных целиков шириной от 15 до 40 м, признаки его удароопасности - такие, как резкие звуки, толчки, стреляния, микроудары при работе выемочных машин, отбойных молотков, при бурении и взрывании шпуров в очистных и подготовительных забоях, повышенный выход буровой мелочи с увеличением ее крупности при бурении по углю шпуров и скважин, повышенное горное давление на крепь горных выработок не наблюдались. Следует также отметить, что пласт к2н имеет широкое распространение в Донецком каменноугольном бассейне и отрабатывается во многих геолого-промышленных районах: в Красноармейском районе он представлен углем марок Д и Г; в Донецко-Макеевском районе - углем марочного состава от Г до Т; в Центральном районе - углем марок Ж, КЖ, К, ОС; в Торезско-Снежнянском районе - углем марок Т и ОС; в Луганском районе - углем марок Ж, К и ОС; в Краснодонском районе - углем марок от Ж до ПА. Во всех этих районах при разработке пласта к2н ни один из перечисленных выше признаков удароопасности не наблюдался. Единственная шахта, на которой согласно «Каталогу.» [2], пласт к2н был отнесен к угрожаемым по горным ударам, - это шахта «Замчалов-ская» в центральной части Гуково-Зверевского района Ростов-
ской области, разрабатывавшая в 1955-2015 годах пласт Ьн, сложенный углем марки А.
В связи с переходом вопросов безопасности в угольной промышленности ЛНР под юрисдикцию Ростехнадзора Российской Федерации, специалистами шахты «Самсоновская-Западная», согласно пункту 43 «Инструкции.» [5], был выполнен региональный прогноз удароопасности угольного пласта к2н по данным геологоразведочных скважин, пробуренных на участках пласта, на которых планируется ведение горных работ в 2024 году. Результаты этих расчетов представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Результаты регионального прогноза ударопасности угольного пласта к2н
№ скв. Н, м Опор.сж., МПа тпроч.пор.осн.кр., м Шл.обр.кр., м твын.уг.пл., м Р4 £Р
Д3376 704,6 77,4 37,54 2,67 1,34 2,99 9,1
Д2338 677,4 77,4 45,12 1,1 1,33 1,83 10,8
Д1047 674,6 77,4 42,29 2,6 1,4 2,86 9,4
Д3446 723,6 77,4 34,57 8,33 1,05 8,93 3,1
Д2294 735,1 77,4 36,24 0,59 1,39 1,42 10,8
Д2333 750,4 77,4 32,07 9,15 1,45 7,31 4,7
Д0900 775,5 77,4 39,9 2,35 1,21 2,94 10,1
Д0789 775,4 77,4 30,7 7,3 1,29 6,66 5,5
Полученные данные, за исключением участка в районе скважины Д3446, однозначно свидетельствуют, что на площади, планируемой шахтой «Самсоновская-Западная» к отработке в 2024 году, пласт к2н относится к угрожаемым по горным ударам, несмотря на полное отсутствие признаков удароопасности во все время его отработки. Для доказательства того, что пласт к2н на шахте «Самсоновская-Западная» при наличии развитой системы эндо- и экзогенной трещиноватости не способен накапливать большие запасы энергии упругого сжатия и деформируется во псевдопластическом режиме, в 5-й восточной разгрузочной лаве под методическим руководством РАНИМИ был выполнен локальный прогноз удароопасности по выходу буровой мелочи из
шпуров диаметром 42-45 мм, результаты которого показаны в таблице 3.
Таблица 3 - Результаты локального прогноза удароопасности пласта к2н по выходу буровой мелочи из контрольных шпуров
Диапазон изменения выхода бу- Диапазон изменения выхода
1ин.скв- ровой мелочи (Рт), замеренного при бурении шпуров в 5-й во- буровой мелочи (Рт), рассчитанного по формуле (2) при
сточной разгрузочной лаве пла- реальных значениях 1ин.скв. и
ста к2н туг.пл.
1 0,75...0,95 3,45.3,75
2 0,85...1,25 3,79.4,73
3 1,16.1,87 5,17.5,68
4 1,9.2,3 6,26.7,06
Как следует из табличных данных, при всех, без исключения, замерах выхода буровой мелочи в 5-й восточной разгрузочной лаве, был получен прогноз удароопасности - «неопасно» с достаточно большим запасом.
Кроме повышенного горного давления для формирования и проявления горных ударов необходимо, чтобы уголь пласта имел определенные физико-механические свойства (ФМС), из которых наиболее характерными являются их прочность и упругость. Результаты исследований, выполненных РАНИМИ на образцах, изготовленных из угля, отобранного в 5-й восточной разгрузочной лаве, показали, что за счет активно развитой в пласте эндогенной и экзогенной трещиноватости образцы угля разрушаются по плоскостям ослабления в плавном режиме, без отброса разрушенных частиц угля. Из 14 образцов угля упругую энергию удалось измерить только на шести образцах. Измеренная прочность угля на одноосное сжатие в этих случаях составляла ос = 1012 МПа, а доля упругих деформаций в общей деформации угля, рассчитанная по формуле (5) - Куд = 0,22-0,38 %. Остальные 8 образцов были разрушены на мелкие отдельности при достижении нагрузок при 4-7 МПа и поэтому к учету не принимались. На основании этого был сделан вывод, что по особенностям механических свойств и структуре угля пласт к2н на поле шахты «Самсо-
новская-Западная» не относится к угрожаемым или опасным по горным ударам.
Заключение. Обобщение опыта ведения горных работ на пластах, угрожаемых по горным ударам, результаты шахтных и лабораторных исследований показали, что региональная оценка удароопасности каменноугольных и антрацитовых пластов, согласно пункту 43 «Инструкции.» [5], дает большие ошибки II рода, которые ухудшают технико-экономические показатели работы угольных предприятий. Это происходит, главным образом, из-за того, что в региональном прогнозе учтены только параметры, характеризующие геомеханические свойства вмещающих пород, и отсутствуют характеристики слагающего пласт угля, который либо способен накапливать энергию упругого сжатия под действием мощного слоя прочной породы и хрупко разрушаться в динамической форме либо при наличии развитой системы эндо-и экзогенной трещиноватости деформируется во псевдопластическом режиме в форме отжима или, в крайнем случае, в форме внезапного выдавливания. Локальные способы прогноза ударо-опасности более трудоемкие, но и более информативные, и позволяют на законном основании изменять границы угрожаемости пластов по горным ударам, установленные региональным прогнозом.
Исследования проведены в рамках выполнения фундаментальной научно-исследовательской работы БЯ8Я - 20230006 "Исследование устойчивости и трансформации напряженноде-формированного состояния обводненных массивов горных пород".
ЛИТЕРАТУРА
1. Петухов, И. М. Горные удары на угольных шахтах. М.: Недра, 1972. - 222 с.
2. Каталог пластов угля, угрожаемых по горным ударам на шахтах Донбасса. Л.: ВНИМИ, 1984. - 26 с.
3. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа.
Утв. МУП СССР 18.04.89 г. - М.: ИГД им. А.А Скочинского, 1989. - 191 с.
4. Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих пласты, склонные к горным ударам. Утв. МУП СССР 18.11.1988 г. - Л.: ВНИМИ, 1988. - 87 с.
5. Инструкция по прогнозу динамических явлений и мониторингу массива горных пород при отработке угольных месторождений. Утв. приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзора) от 10 декабря 2020 года № 515.
6. Расчет и экспериментальная оценка напряжений в целиках и краевых частях пласта угля. - Л.: ВНИМИ, 1973. - 130 с.
7. Ходырев, Д. И. Оценка удароопасности участков угольного пласта по действующим напряжениям / Д. И. Ходырев // Уголь Украины, 1991. - № 2. - С. 32-33.
8. Петухов, И. М., Линьков А. М. Механика горных ударов и выбросов. - М.: Недра, 1986. - 280 с.
9. Каталог горных ударов на угольных шахтах (19811989 гг.). - Л.: ВНИМИ, 1990. - 79 с.
10. Ходырев, Д. И. Прогноз удароопасности антрацитовых пластов с учетом трещиноватости угля в призабойной части горной выработки/ Ходырев Д. И., Канин В. А., Ходырев Е. Д. // Труды РАНИМИ: сб.науч.тр. - 2016. - № 1 (16). - С. 112-118.
Канин Владимир Алексеевич, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник отдела горного давления, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, vlkanin2@yandex.ru.
Пивень Юрий Анатольевич, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник отдела горного давления отдела, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, ranimi@ranimi.org.
Рожко Марина Дмитриевна, канд. техн. наук, старший научный сотрудник отдела горного давления, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, mdr 6464@ mail.ru.
ASSESSMENT OF THE BURN HAZARD OF COAL AND ANTHRACITE SEAM IN THE MINES OF THE DONETSK COAL BASIN
The article examines the features of mining-geological and mining-technical conditions for the formation of rock bursts during the development of coal and anthracite seams, and also shows specific examples of the use of regional and local methods for assessing the rock burst hazard of coal seams.
Keywords: development of coal and anthracite, susceptibility of seams to rock bursts, regional and local methods for assessing the rock burst hazard of coal seams.
Kanin Vladimir Alekseevich, Doctor of Technical Sciences, Leading Researcher of the Rock Pressure Department, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, vlkanin2 @yandex.ru.
Piven Yuriy Anatolievich, Ph. D. in Engineering Sciences, Leading Researcher of the Mining Pressure Department, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, ranimi@ranimi.org.
Rozhko Marina Dmitrievna, Ph. D. in Engineering Sciences, Senior Researcher of the Mining Pressure Department, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, mdr6464@msil.ru.
