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

Полученные данные показали, что радиус разгрузки впереди забоя при проходке ствола в 1,4 раза меньше, а максимальные де­ формации массива в 2,6 раза меньше, чем при проведении квер­ шлага того же сечения.

В настоящее время при вскрытии выбросоопасных пластов сече­

где уН — давление горных пород до проведения выработки (у — средний объемный вес вышележащих пород, Я — глубина залега­ ния); х — координата, расположение которой измерено от плоско­ сти забоя; X — половина ширины выработки.

При х=0 уравнение примет вид

где \+k — ka — коэффициент концентрации напряжений на кромке выреза.

Коэффициент k0 зависит только от отношения — , где h — поло-

вина мощности пласта или высоты выработки.

При увеличении сечения забоя выработки с уменьшением отно­

шения — коэффициент k0 будет возрастать, следовательно, и об-

А

ласть повышенных напряжений впереди забоя также будет увели­ чиваться. Поэтому с учетом принимаемой в настоящее время перед вскрытием предохранительной породной толщи в 2 м можно счи­ тать, что наиболее благоприятные условия создаются при мини­ мально возможном сечении квершлага. Действительно, если квер­ шлаг малого сечения, забой которого находится в 2 м от пласта, не вызовет никаких изменений напряжений, то квершлаг большого сечения при подходе к пласту на 2 м окажется причиной дополниг тельных нагрузок на угольный пласт, величина и зона распростра­ нения которых растут с увеличением сечения. Эти дополнительные напряжения, в свою очередь, вызовут в угольном пласте накопле­ ние упругой потенциальной энергии, что будет способствовать самопроизвольному обнажению пласта.

Особенностью пересечения квершлагом мощного пласта яв­ ляется то, что при этом пересекаются пачки и прослойки угля с различными физико-механическими свойствами и, таким образом, напряженное состояние может изменяться более скачкообразно,

чем при проведении выработки по наслоению угольного массива. Обнажение каждой из пачек угля влечет за собой также изменение градиента давления газа, так как фильтрующая способность угля вкрест напластования значительно ниже, чем по напластованию.

пластов угольные пачки были сравнительно однородными. При сложной структуре пласта и чередовании пачек устойчивого и сильно перемятого угля, а также породных включений зона актив­ ных деформаций при ее незначительной протяженности будет не­ равномерной при движении забоя. .

Вопросы распределения напряжений впереди забоя вертикаль­ ной горной выработки не изучены. Исследования в этой области проводились в натуре применительно к вопросам крепления вер­ тикальных стволов. Имеются лишь результаты лабораторных ра-

бот, проведенных во ВНИМИ Г. А. Крупенниковым, по изучению перераспределения напряжений в массиве пород с применением методов фотоупругости и эквивалентных материалов. Этими рабо­

ности.

Деформации в направлении вертикальной w и горизонтальной оси и определяются лишь дополнительными напряжениями. В силу осевой симметрии все напряжения и деформации не зависят от координатного угла 0.

Таким образом, вопрос сводится к решению осесимметричной задачи теории упругости об упругом полупространстве, имеющем цилиндрическую вертикальную выемку радиусом R и глубиной Н. На поверхности выемки внешние нагрузки отсутствуют, а в бес­ конечности имеют место напряжения, определяемые собственным весом породы.

Для решения задачи использован один из вариантов метода граничных особенностей, при помощи которого строится система двух сингулярных интегральных уравнений.

Интегральные уравнения, определяющие напряжения и дефор­ мации упругого массива, ослабленного шахтным стволом, решены

при помощи обобщенных аналитических функций. Решение выпол­ нено на ЭВМ типа М-220 в соответствии с координатной сеткой, показанной на рис. 67, по программе, составленной Ю. И. Соловье­ вым. Расчеты произведены для следующих условий: диаметр ство­ ла 4, 6 и 8 м; глубина расположения забоя ствола 300 м.; объемный вес пород 2,5 тс/м3 ; коэффициент Пуассона. v = 0,4. Результаты чис­ ленных расчетов представлены на рис. 68, 69, 70.

Величины .упругих деформаций в радиальном и и_ аксиальном w направлениях представлены в виде значений 2Gu и !2Goy при

ривать лишь в момент образования выработки, можно предполо­ жить, что при обнажении угольного; пласта стволом в-окрестности его забоя существуют напряжения и! перемещения, (распределенные аналогично представленным .на рис.: 68 и 69. При |этом перемеще-

ния в массиве, возникшие в этот период, могут быть охарактери­ зованы как перемещения упругого восстановления пород.

Из графиков распределения напряжений вблизи забоя ствола диаметром 4, 6 и 8 м (см. рис. 70) видно, что характер распреде­ ления напряжений от диаметра ствола не зависит, но от его вели­ чины зависит размер области влияния ствола на массив.

Несмотря на большую разницу в размерах сечений вскрываю­ щих квершлагов и стволов случаи внезапных выбросов при проход­ ке стволов крайне редки. Это может быть объяснено прежде всего положительным влиянием гравитационных сил .горных пород, пре-

пятствующих развитию внезапного выброса. В случае иницииро­ вания внезапного выброса поднятые взрывом породы (а объем их велик, так как длина шпуров достигает 3—4 м) играют роль щита, препятствующего развитию выброса. Кроме того, проходимый ствол

Рис. 69. Характер деформируемости упругого изотроп­ ного массива вблизи забоя ствола диаметром 6 м:

а — д л я значений »Ск'; б — для значений 2Gu

* в

Рис. 70. Распределение напряжении вблизи забоя ствола диаметром:

а — 4 м; б — 6 м: в — 8 м

ввиду большого сечения (40—50 м2 ) и сравнительно низких темпов подвигания забоя способствует заблаговременной разгрузке и де­ газации угольного пласта. В этом отношении проходка ствола большого сечения является в какой-то мере аналогом первоочеред­ ной надработки защитного пласта.

§ 26. ВСКРЫТИЕ ПЛАСТОВ ПРИ РАССЕЧКЕ ОКОЛОСТВОЛЬНЫХ ДВОРОВ

Как правило, значительные осложнения возникают при пересе­ чении выбросоопасных пластов выработками околоствольного дво­ ра, имеющими большое сечение. В этих случаях наряду со спосо­ бами борьбы с выбросами приходится применять дополнительные меры предосторожности. К таким мерам относится установка усиленной крепи, например на мощных крутых пластах приме­ няется каркасная крепь, причем она используется только на первом этапе вскрытия — при обнажении пласта и внедрении выработки в него. Дальнейшее пересечение пласта выполняется только с про­ филактической обработкой угольного массива.

гало 27 кгс/см2 , был составлен специальный проект, предусматри­ вающий применение анкерной крепи. На пласт были пробурены 24 скважины, в которые ввели анкера с клиновыми замками. После расклинивания анкеров на них были надеты протарированные на прессе в лабораторных условиях резиновые шайбы для измерения

Несмотря на высокую степень опасности пласта Он был вскрыт узким сечением выработки без проявления внезапного выброса.

Однако помимо того, что возведение анкерной крепи является трудоемкой операцией, следует отметить несовершенство контроля за качеством распора замка анкера как в момент заделки, так и в

квершлага и количество вымытого штыба. Сначала однострунным насадком вымывалась полость на всю мощность пласта, затем при помощи двухили трехструнных насадков производилось ее рас­ ширение.

При размыве скважины № 3 произошло ее соединение со сква­ жиной № 2. В результате образовалась горизонтальная' щель в пласте длиной 2 м, шириной 1 м и высотой 0,75 м.

Рис. 72. Вскрытие пласта Неизвестного с применением гпдровымыва на шахте «Ноградская»:

№1—5 — с к в а ж и н ы гпдровымыва; № 1к—4к — контрольные скважины

Давление газа в контрольной скважине, ближайшей к размы­ ваемой скважине, вначале незначительно увеличивалось, а затем по мере размыва полости снижалось (рис. 73).

Следует отметить, что при размыве последней, пятой скважины наблюдались выбросы угольного штыба на расстояние до 5 м. За короткое время из этой скважины было вымыто 1,1 м3 угля. Ре­ зультаты замеров выхода штыба, давления и расхода воды приве­ дены в табл. 22.

Сразу же после того как приступили к гидровымыву, начало увеличиваться содержание газа в квершлаге, причем оно возра­ стало по мере увеличения-числа размытых полостей.

Данные об изменении давления газа в зависимости от расстоя­ ния до размываемой полости приведены в табл. 23.

Из табл. 23 видно, что за эффективный радиус влияния поло­ стей можно принять расстояние, равное 1,5 м.

Гидровымыв опережающих полостей (по несколько иной схеме) производился также при вскрытии квершлагом выбросоопасных пластов 24 мощностью 4,5 м и 25 мощностью 1,2 м на шахте «Крас­ ный углекоп».

Экспериментальные работы в шахтных условиях по гидровымыву опережающих полостей и по гидроразмыву передовых сква­ жин показали, что этот способ активного воздействия на вскрывае­ мый угольный пласт приводит к интенсификации изменения основ­ ных факторов, определяющих его выбросоопасность. Наиболее значительные изменения показателей, определяющих эти факторы, прослеживаются в случае образования передовых разгружающих щелей.

Для выявления эффективности гидровымыва угольного пласта перед его вскрытием через ранее пробуренные скважины в различ-

работоспособности струи воды в зависимости от различных факто­