книги из ГПНТБ / Карагодин Л.Н. Способы борьбы с внезапными выбросами угля и газа

шахты № 5. Экспериментальный участок, где проверялось увлаж­ нение, являлся весьма опасным по внезапным выбросам. Мощностьпласта изменялась от 2,3 до 2,7 м. Пласт сложен тремя пачками угля, наиболее выбросоопасна средняя пачка мощностью- 0,68—0,9 м, представленная перемятым углем землисто-зернистой структуры. Исследования проводились в северном откаточном; штреке, который проводился с применением буровзрывных работ

врежиме сотрясательного взрывания.

Взабое этого штрека в верхней части выработки была проведе­ на ниша для размещения бурового станка. Скважина была про­ бурена длиной 48 м под углом 2° к горизонту. Глубина герметиза­ ции составляла 14 м. Нагнетание воды было начато через трое суток после окончания герметизации. В пласт было закачано 16 м 3 воды, давление нагнетания составляло 10—12 кгс/см2 . За весь пе­ риод увлажнения давление нагнетания не поднималось выше пла­ стового давления газа. Время от начала нагнетания до начала про­ ведения выработки составило 6 суток. Замеры, произведенные че­ рез двое суток после окончания увлажнения, показали, что дебит газа снизился по сравнению с первоначальным на 30—35%.

Влажность отобранных контрольных проб угля колебалась в значительных пределах — от 3,5—3,7 до 1,4—1,6%- Наиболее низ­ кая влажность отмечалась в местах выбросов, которые произошли при проведении штрека. Однако вряд ли возникновение выбросов можно объяснить только неравномерным увлажнением пласта. Од­ ной из их причин явилось также изменение направления проведе­ ния выработки и удаление от увлажнительной скважины на вели­ чину, превышающую эффективный радиус дренирования скважины (рис.33).

Таким образом, на выбросоопасных пластах со сложной гип­ сометрией увлажнение требуется проводить особо тщательно.

Технология профилактической гидравлической обработки уголь­ ных пластов в пределах выемочных участков, которая широко при­ меняется в Донбассе, состоит из следующих основных операций: бурения скважин, дегазации пласта и нагнетания воды.

Угольный массив впереди очистного забоя перебуривается па­ раллельными скважинами, из которых последовательно одна ис­ пользуется в качестве нагнетательной, а две другие — в качестве контрольных. Диаметр нагнетательных скважин практически не оказывает влияния на процесс насыщения угольного пласта водой. По условиям герметизации он принимается в пределах 45—100 мм.

Угольный массив в пределах выемочных участков следует полно­ стью перебуривать скважинами (т. е. длина их должна быть равна длине лавы). Если выемочное поле с обеих сторон ограничено гор­ ными выработками, то скважины бурят на 10—15 м короче, чтобы

при нагнетании вода не прорывалась в вентиляционный штрек. Скважины для нагнетания целесообразно располагать посредине мощности пласта.

Для бурения могут использоваться станки БИК, БИП, ЛБС-4м,

Рис. 33. Расположение полостей выбросов при прове­ дении штрека по увлажненному участку со сложной гипсометрией пласта:

быть не менее расстояния между скважинами. Скважины малых диаметров (45—60 мм) герметизируются автоматическими гидро­ затворами, а больших — цементным раствором.

Как установлено исследованиями МакНИИ, для донецких углей период дренирования не разгруженных от горного давления пла­ стов скважинами в среднем составляет 5—7 месяцев. При этом об­ щее количество выделяющегося газа изменяется в зависимости от метаноносности и газопроницаемости пластов в очень широких пре­ делах.

При высоком газовыделении из скважин целесообразно перед нагнетанием воды не только контрольные, но й нагнетательные скважины на некоторое время оставлять открытыми для дегаза-

ЦІПІ пласта. В результате предварительной дегазации уменьшается давление газа, увеличивается водопроницаемость и, следовательно, создаются условия, способствующие улучшению процесса нагнета­ ния воды: снижается напор, увеличиваются темп и радиус увлажне­ ния, повышается насыщение угля водой, становится более равно­ мерным распространение ее по пласту.

После окончания нагнетания из скважины выпускают воду и оставляют скважину открытой для дальнейшей дегазации пласта.

Для равномерного насыщения угольного пласта водой давление воды при нагнетании необходимо поддерживать постоянным и оно не должно превышать вертикальной составляющей напряжений от веса вышележащих пород. Весь процесс нагнетания следует осу­ ществлять вне зоны опорного давления, т. е. не ближе 25—30 м от забоя лавы. В противном случае напор воды может значительно возрасти.

Нагнетание целесообразно проводить непрерывно, что позволяет свести к минимуму затраты времени. При этом рекомендуется ис­ пользовать насосные установки УГН, НВП-2, НВП-3, ПВЭ-1, УНВ-2, ГБ-351 и ГБ-354. Для контроля за качеством нагнетания насосной установки оборудуются предохранительными клапанами, манометрами на нагнетательной стороне водопровода и на возду­ хопроводе и водомером.

ГИ Д Р О О Т Ж И М

ПР И З А Б О И Н О Й ЗОНЫ ПЛАСТА

§8. НЕКОТОРЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О РАСЧЕТЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРООТЖИМА

Механизм гидроотжима состоит в устранении положения не­ устойчивого равновесия, в котором находится призабойная часть пласта перед выбросом [2, 36].

В результате отжима угля в выработку снижается несущая способность призабойной части пласта, возрастает глубина пре­ дельного состояния угля и отодвигается в глубь массива зона кон­ центрации напряжений, обусловленная перераспределением гор­ ного давления вследствие подвигания забоя выработки с той или иной скоростью. Механизм гидроотжима может быть объяснен на основе теории внезапных выбросов угля и газа В. В. Ходота.

Обязательным условием эффективного нагнетания воды в пласт для его увлажнения, гидроразрыва или гидроотжима является герметизация скважин на необходимую глубину, которая должна

превышать область предельно-напряженного состояния угольного массива.

При гндроотжиме происходят растрескивание и сдвиг призлбойной части массива, резкое сдвижение боковых пород. Если при­ нять, что в подготовительной выработке, уголь смещается по всему

Расчетные J ° p и фактические Рф значения давления воды, полу­ ченные при проведении гидроотжима на пласте Мощном, доволь­ но близки (табл. 12). Следовательно, приведенный расчет может •быть использован для практических целей.

§ 9. ИЗМЕНЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В УГОЛЬНОМ МАССИВЕ

Изменения напряжений в призабойной зоне пласта в процессе тидроотжима замерялись при проведении параллельных сближен­ ных штреков, один из которых постоянно опережал забой другого на 6—10 м. Гидроотжим производился в одном из штреков, про­ водимом с опережением, в контуре которого располагались гидрав­ лические датчики. Задачей экспериментов являлось исследование

.изменений напряженного состояния пласта и выявление области

При гидроотжиме оба датчика показали резкий спад давления::

С началом подвигания забоя 1-го параллельного штрека ПСУ обоим датчикам наблюдался плавный спад напряжений. Однакоинтенсивность спада давления во время выемки угля отбойными молотками и при приближении забоя выработки к пунктам замера, заметно увеличивается по сравнению с изменением показаний дат­ чиков при остановленном забое выработки. Следует отметить, что' после гидроотжима изменения в напряженном состоянии пластапри работе отбойных молотков отмечаются с расстояния 4 м. or забоя выработки. Из этого можно заключить, что разгруженная зона после гидроотжима отодвинулась в глубь массива, создавблагоприятные условия для безопасного подвигания забоя.

При следующем опыте гидродатчики были заложены на рас­ стоянии 7 и 12,5 м впереди забоя 1-го параллельного штрека, в- котором производился гидроотжим. Нагнетание воды продолжа­

параллельного штрека, изменения давления носили импульсивный

Второй гндродатчик, отстоящий от забоя на 12,5 м, более резко' реагировал на нагнетание воды, перепад давления здесь составил: около 9%. Различные значения показаний гидродатчиков могут быть объяснены значительной протяженностью зоны предельно-на­ пряженного состояния, вследствие чего ближний датчик находился" в разгруженной зоне пласта, а более удаленный датчик — в на­ груженной зоне. Ранее, когда гидроотжим производился в основ­ ном штреке, расположенном на 6 м ниже 1-го параллельного штре­ ка, оба этих гидродатчика зарегистрировали влияние процесса гид­ роотжима на угольный массив позади забоя выработки.

За время нагнетания воды в основном штреке (120 мин) гидро-

В период нагнетания в забое и в кровле слышались удары, треск, происходило осыпание. Это свидетельствовало о том, что угольный, массив разрушается, причем на значительном расстоянии от кон­ тура, выработки. Полученные 'данные показывают, что использова­ ние гидроотжима в одной из выработок (в данном случае в нижнем: параллельном штреке) оказывает защитное воздействие на сосед­ нюю верхнюю выработку. Эксперименты по изучению влияния гид­ роотжима на перераспределение напряжений проводились при: установке гидродатчиков из верхнего параллельного штрека ПО' падению в контур расположенного на 6 м ниже основного штрека..

выработки в нависающей и нижележащей частях угольного мас­

1.5 кгс/см2 -ч. Наблюдения, проведенные при гидроотжиме угля в наклонных выработках, проводимых сверху вниз на участке кру­ того пласта, показали, что в этих условиях характер перераспреде­ ления напряжений иной, чем в горизонтальных выработках. Так,

к быстрому снижению напряжений впереди забоя на расстоянии до

где величина спада давления составляет 9%; позади забоя в ниже­

ловиях установлено, что отжим начинается одновременно с появ­ лением давления воды в напорной сети и продолжается в течение всего времени нагнетания воды. Величины смещений на различном расстоянии впереди забоя неодинаковы. Наибольшей величины они достигают в призабойной зоне шириной 0,5—1,5 м. С возрастанием

оказывают влияние структура и строение пласта, а также место заложения нагнетательной скважины. При наличии в пласте пород­ ных прослойков более активный отжим наблюдается по одинаково заглубленным реперам, находящимся по одну сторону с нагнета­ тельной скважиной от породного прослойка (рис. 35). Неравномер­ ность смещений может быть объяснена резким перепадом фильт­ рационных свойств породных прослойков и пачек угля, определяю­

Интенсивность развития отжима в начальный период нагнета­ ния воды на пластах различной прочности (сравнивались пласт Владнмнровский в Кузбассе с сильно перемятым углем и пласт Феликс в Караганде с устойчивым углем) неодинакова. Если пере-

мятый уголь начинает смещаться од­ новременно с развитием предельного давления воды, то смещения более прочного угля начинаются примерно через 12 мин после начала нагнетания, хотя конечные величины смещений на обоих пластах для сравнимых глубин примерно одинаковы. По максималь­ ным смещениям реперов построена

кривая смещений призабойной зоны пласта (рис. 36), из которой отчетливо видно, что на глубине до 1,5 м происходят интенсивные смещения, затем они заметно затухают и на глубине свыше 3 м отмечаются незначительные смещения обратного знака.

Значительный интерес представляет изучение усилий,-.развивае­ мых выдвигаемым целиком угля при гидроотжиме. Для этого был проведен эксперимент на пласте Владимировском.. Величины уси­ лий замерялись динамометром ДС-5, прикрепленным при помощи жестких хомутов к винтовой стойке, раскрепляемой между кров­ лей и почвой пласта. Усилия отжима угля через телескопическую стойку передавались пуансону динамометра. Замеры показали (рис. 37), что по сравнению со спокойным протеканием процесса смещения угля усилия отжима носят импульсивный характер. Это связано с периодическим нарушением целостности угольного мас­ сива в процессе нагнетания воды и, как следствие, неравномерным изменением нагрузок на выдавливаемый угольный блок. Незначи­ тельная импульсивность усилий отжима в первый период нагнета­ ния воды при медленном смещении призабойной зоны угольного пласта свидетельствует об относительной монолитности отжимае-