Прогнозирование удароопасности угольных пластов Элегетского угольного месторождения Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© H.B. Кротов, Ф.П. Ивченко, Д.В. Сидоров, 2012

УДК 622.831.32

Н.В. Кротов, Ф.П. Ивченко, Д.В. Сидоров

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ УДАРООПАСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ЭЛЕГЕТСКОГО УГОЛЬНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Приведены результаты экспериментальных исследований по установлению склонности угольного пласта «Улур> к горным ударам. Выявлена принципиальная возможность проявления удароопасности при ведении горных работ с глубины 350 м. Показаны основные мероприятия по предупреждению горных ударов. Ключевые слова: удароопасность, фазово-физические свойства, труднообрушае-мая кровля, критическая глубина.

легестское угольное месторождение расположено в пределах Улуг-Хемского бассейна на территории республики Тыва. Практически все запасы угля месторождения представлены особо ценной маркой Ж и представляют высокую технологическую ценность. Обеспеченность геологическими запасами при добыче коксующихся углей 13—14 млн.т. в год составляет 90—100 лет. На всей площади Элегестского месторождения проведена предварительная разведка. Летально разведаны Красногорский и Элегестский участки. Основная часть запасов (68 %) угля Элегестского месторождения сосредоточено в мощном (мощность до 10 м) угольном пласте, имеющем собственное название «Улуг». Также приняты к разработке 6 пластов тонких и средней мощности (индексы: 3.10; 3,17; 4,9; 6,2; 6,7; 6,11).

На стадии геологоразведочных и проектных работ в ходе инженерно-геологических исследований должны быть изучены особенности природных условий залегания угольных пластов месторождения, строения и состава углевмещающего массива, от которых зависит выбор технологии, обеспече-

ние требований промышленной безопасности и экономическая эффективность горных работ [1, 2]. Виды, порядок и объемы исследований регламентируются установленным Госгортех-надзором России порядком и соответствующими нормативными документами [3, 4]. При подготовке исходных данных для проектирования безопасной разработки угольного месторождения необходима оценка возможности проявления удароопасности при ведении горных работ. Своевременное установление склонности угольных пластов к горным ударам позволяет предусмотреть опережающие мероприятия по их предотвращению и выбрать соответствующие технологические решения по проведению горных выработок. Многолетними исследованиями установлены объективные характеристики структуры, свойств и качественные показатели углей, присущие удароопасным пластам. Важны также прочностные и деформационные показатели вмещающих горных пород, расположенных в непосредственной и основной кровле и почве угольного пласта и способные формировать высокий уровень напряжений на отдельных участках при ведении

горных работ. Поэтому, при установлении склонности угольнык пластов к горным ударам по результатам геологоразведочный работ анализу этих особенностей уделяется особое внимание.

Вмещающими породами на Элегет-ском месторождении в основном являются песчаники и алевролиты. Породы характеризуются значительной прочностью и повышенными значениями характеристик упругих свойств. Прочность на сжатие до 221 МПа, в среднем до 144 МПа. Прочность на разрыв до 26 МПа, в среднем до 17 МПа. Отношение прочности на сжатие к прочности на разрыв (коэффициент хрупкости) в среднем 8,5.

Для уточнения физико-механических характеристик угля пласта «Улуг» и дополнительного изучения его физико-химических и фазово-физических свойств были отобраны образцы и пробы. Испытания проводились в сертифицированных научных лабораториях Санкт-Петербургского горного института (технического университета).

Результаты определения прочностных показателей угля приведены в табл. 1 с указанием средних арифметических значений прочностных показателей (пределов прочности при одноосном растяжении ор и сжатии осж,

предела прочности при чистом сдвиге То; условного сцепления С и угла внутреннего трения ф, соответствующих предельному напряженному состоянию при одноосном сжатии), а также их средних квадратических отклонений (оп-1) и коэффициентов вариации V (в %).

Проведенные механические испытания образцов угля пласта «Улуг» показали, что пласт характеризуется высокими значениями коэффициента хрупкости. Так, по трем угольным образцам были получены следующие пределы прочности при одноосном растяжении ор = 0,084 МПа, ор = 0,183 МПа, Ор = 0,559 МПа и при сжатии осж = 1,56 МПа, осж = 6,28 МПа, Осж = 17,12 МПа. Параметр отношения предела прочности при одноосном сжатии к пределу прочности при одноосном растяжении составил соответственно значение 18,6 МПа, 34,3 МПа и 30,6 МПа. По двум последним образцам уголь характеризуется как весьма хрупкий. Проявления удароопасности при разработке угольных месторождений возникают только при определенном сочетании горногеологических и горнотехнических факторов.

Пласт «Улуг» сложен блестящими и полублестящими разностями углей, по

Таблица 1

Результаты механических испытаний образцов угля ___

Статистические показатели | ар, МПа | стсж, МПа | То, МПа | С, МПа | ф, град

Проба 1

Среднее арифметическое значение 0,084 1,56 0,29 0,48 26,7

Среднеквадратическое отклонение 0,031 0,19 0,06 0,07 1,9

Коэффициент вариации 37,1 12,1 20,3 14,8 7,0

Проба 2

Среднее арифметическое значение 0,183 6,28 0,45 1,45 40,5

Среднеквадратическое отклонение 0,046 0,98 0,04 0,20 0,8

Коэффициент вариации 25,3 15,5 9,5 13,8 1,9

Проба 3

Среднее арифметическое значение 0,559 17,12 1,34 4,01 41,0

Среднеквадратическое отклонение 0,270 5,82 0,75 1,63 6,1

Коэффициент вариации 48,3 34,0 55,9 40,6 14,9

структуре однородные, реже мелкополосчатые. На других рабочих пластах свиты встречаются полуматовые и матовые разности. Угли однородные и полосчатые.

Трудно- и среднеобрушаемая основная кровля пласта «Улуг» при ведении горных работ способны формировать значительные по площади зависания, что будут способствовать резкому повышению горного давления. Из анализа слоев пород непосредственной кровли следует, что на пласте «Улуг» она целиком представлена прочным песчаником и по признаку отсутствия на контакте с пластом слабых пластических породных слоев предопределяет склонность пласта к горным ударам.

На пласте 3.10 по всей площади и на большей части разведанной площади пластов 3.17, 4.9, 6.2, 6,7 и 6.11 в непосредственной кровле залегают слои низкопрочного алевролита. Преимущественное распространение на этих пластах легко- и сред-необрушаемых основных кровель исключает условия их зависания. На участках со слоями песчаника в непосредственной кровле и при трудно-

обрушаемой основной кровле (наличие в кровле мощных слоев прочных песчаников) склонность рабочих пластов Элегетского месторождения к горным ударам возрастает.

При производстве геологоразведочных работ на Элегестском угольном месторождении проводилось изучение керна. По показателям выхода керна можно судить о склонности горных пород и угольных пластов к горным ударам. Было отмечено, что при бурении скважин происходило своеобразное разрушение керна, обусловленное «спиралевидной трещино-ватостью». Такой вид деформационных разрушений может свидетельствовать о способности пород на обнажении разгружаться от высоких напряжений в динамических формах. По показателям выхода керна можно судить о склонности горных пород и угольных пластов к горным ударам.

Проведенный анализ показал, что выход керна из геологоразведочных скважин при пересечении угольного пласта «Улуг» превысил 85 %.Высокие значения выхода керна (94 %) также были зафиксированы при пересечении скважинами других рабочих пластов.

Таблица 2

Фазово-физические свойства угля пласта «Улуг»

Место взя- № Фазово-физические показатели Характеристика

тия пробы пробы пласта «Улуг» опасности пла-

We ср. Омг ср. Wмr ср. Се ср. ста

образца, образца, образца, образца,

% лоли ел. % лоли ел.

Элегестский 1 5,3 0,45 6,9 0,35 Угрожаемый

разрез 2 5,4 0,46 7,3 0,34 промежуточного

верхняя 3 5,2 0,4 7,0 0,33 типа

пачка

Элегестский 4 4,8 0,48 4,7 0,49 Угрожаемый

разрез 5 4,5 0,45 4,8 0,43 промежуточного

средняя 6 4,5 0,50 4,8 0,47 типа

пачка

Каа- 7 4,9 0,51 4,6 0,54 Угрожаемый по

Хемский 8 4,8 0,53 4,6 0,55 горным ударам

разрез 9 5,2 0,53 4,8 0,57

средняя

пачка

Склонность пласта к горным ударам оценивалась по результатам исследования фазово-физических свой-ств (табл. 2). В настоящее время пласт «Улуг» разрабатывается открытым способом. Глубина разработки достигла отметки 80—100 м от поверхности.

По образцам угля, отобранным по пласту « Улуг» Элегестского угольного разреза значения показателей фазово-физических свойств (ФФС) верхней пачки угля и их сравнительная оценка укладываются в диапазон склонности пласта к выбросам угля и газа. Это подтверждается превышением Шмг значений Ше и изменением значений естественного водонасыщения в диапазоне от 0,33 до 0,35 доли единицы. Незначительным признаком возможного проявления горного давления в опасной форме является критерий естественного водонасыщения, средне взвешенное значение которого ве = 0,34, доли единицы близко к нижней границе отнесения пласта, как склонного к горным ударам, т.е. ве > 0,35.

Аналогичный характер выбросо-опасности пласта отражают значения показателей ФФС средней пачки угля. Однако, средне взвешенное значение естественного водонасыщения, равное ве = 0,46 доли единицы, удовлетворяет условиям склонности пласта к горным ударам, т.е. ве > 0,35. О возможном проявлении горного давления в опасной форме указывает выполнение условия при сравнении средне взве-шеннык значений ве и вмг: ве < вмг = 0,46 < 0,48.

Диапазон изменения показателей ФФС характеризуют угольный пласт «Улуг» к одновременной склонности пласта к горным ударам и внезапным выбросам угля и газа (промежуточный тип).

По образцам угля, отобранным по пласту «Улуг» Каа-Хемский угольный разреза значения показателей ФФС

средней пачки угольного пласта представляют иной диапазон сравнительной оценки. Изменения значений вмг в образцах средней пачки отмечены в диапазоне 0,51—0,53 доли единицы. Повышенные значения показателя порового пространства и естественного водонасыщения в сравнении с аналогичными параметрами Элегест-ского разреза указывают на увеличение механических свойств — упругости, прочности и коэффициента крепости угля. Увеличение прочностных характеристик подтверждается было отмечено при ручном разделывании проб для проведения лабораторных исследований ФФС угля и превышением значений естественной влажности максимальной гигроскопической влажности, т.е.: Ше > Шмг = 4,9 > 4,7, %. Диапазон значений ФФС угля характеризуют склонность пласта «Улуг» к горным ударам.

Из энергетически — силовой теории горных ударов следует, что одним из определяющих склонность к опасному явлению факторов является упругое деформирование пласта в предельно-напряженной зоне. Поэтому для оценки критической глубины, с которой пласт может накапливать упругую энергию, соизмеримую с критериями удароопасности, важны данные об абсолютной или относительной величине напряжений в максимуме опорного давления и расстояние до максимума от стенки или забоя горной выработки. Были определены коэффициенты интенсивности напряжений из решения задачи об опорном давлении, с использованием обобщенных характеристик напряженного состояния около края горной выработки. С применением коэффициента интенсивности напряжений, характеризующего сопротивление краевой части угольного пласта разрушающим нагрузкам, оценивается

вероятность потери устойчивости краевой части пласта и появление удароопасности с изменением распределения напряжений в зоне опорного давления. Получено, для пласта «Улуг» значение критической глубины составило 355 м и для остальных пластов 425—500 м.

Для прогнозных оценок критических глубин использовались исходные данные средних для Элегестского месторождения значений. На конкретных участках эксплуатации угольных пластов условия нагружения краевых частей горных и соответственно коэффициент интенсивности напряжений будут зависеть также от геометрических параметров горных выработок. Так, например в угольных целиках коэффициент интенсивности напряжений существенно возрастает. Поэтому для условий подготовки

1. Методические рекомендации по применению Классификации запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых. Угли и горючие сланцы. Утв. распоряж. МПР России от 05.06.2007 г. № 37-р. М., ФГУ ГКЗ, 2007. - 34 с.

2. Методические рекомендации по технико-экономическому обоснованию кондиций для подсчета запасов месторождений твердых полезных ископаемых. Угли и горючие сланцы. Утв. распоряж. МПР России

угольных пластов с целиками значение критической глубины возможного проявления удароопасности будет меньше вышеуказанных.

В связи с тем, что пласт «Улуг» склонен к горным ударам, то на его разработку распространяются требования нормативного документа [4]. В соответствии с этой инструкцией проблема предотвращения горных ударов решается в несколько этапов. Первоначально выполняются работы по геодинамическому районированию недр. По результатам производят раскройку шахтных полей Элегест-ского месторождения на выемочные блоки, выбирают последовательность, и порядок (очередность) их отработки. Порядок отработки рабочих пластов в свите должен быть выбран исходя из анализа формирования зон разгрузки и защищенных зон.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

от 05.06.2007 г. № 37-р. М., ФГУ ГКЗ, 2007. - 48 с.

3.«Правила безопасности в угольных шахтах» (ПБ05-618-03) - М.: НТЦ «Промышленная безопасность», 2003.

4.«Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам» (РД05-328-99). - М.: НТЦ «Промышленная безопасность». 2000. - 119 с. ШВ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Кротов Н.В. — кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, Ивченко Ф.П. — кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, Сидоров Д.В. — кандидат технических наук, заведующий лабораторией, научный центр геомеханики и проблем горного производства Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета), E-mail geosecurlab@mail.ru.

д