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

В Рурском бассейне проводились опыты по предотвращению горных ударов путем нагнетания воды под высоким давлением че­ рез скважины длиной 5 м, пробуренные в стенках штрека. Однако при этом были зарегистрированы трески различной силы и три горных удара.

Увлажнение угольных пластов для предотвращения внезапных выбросов угля и газа практикуют в Бельгии, Венгрии, Канаде, Чехословакии и Японии.

Таким образом, этот перспективный метод получает все боль­ шее распространение. Однако еще не полностью определены усло­ вия его применения, технологические схемы, режим, нагнетания и пр.

Борьба с внезапными выбросами угля и газа методом увлаж­ нения основана на изменении механических и газофильтрационных свойств угля. Основными особенностями увлажненного массива являются: снижение упругих и увеличение пластических деформа­ ций; уменьшение потенциальной упругой энергии угля в призабонной зоне пласта; отодвигание максимальных напряжении в глубь массива; уменьшение коэффициента концентрации напряжений впереди забоя выработки. В результате этого увлажненный уголь­ ный пласт теряет способность к быстрому и хрупкому разрушению, а следовательно, уменьшается или даже устраняется возможность развязывания внезапных выбросов под действием горного давле­ ния.

Выделение газа из разрушенного горным давлением угля носит сложный характер. Перемещение газа может происходить как за

Это предопределяет более низкое выделение газа из увлажнен­ ного угля, вследствие чего реализация второй фазы внезапного вы­ броса под действием газового фактора в этих условиях становится менее возможной или даже полностью устраняется.

Таким образом, влияние профилактического увлажнения уголь­ ных пластов на устранение внезапных выбросов угля и газа осно­ вано на воздействии на фактор горного давления и газовый фак­ тор, которые в неувлажненных пластах вызывают эти газодинами­ ческие явления.

В зависимости от условий применения может изменяться эффек­ тивность профилактического увлажнения.

Наиболее качественное изменение свойств угля происходит при равномерной пропитке пласта, что достигается при низконапорном нагнетании воды. В то же время опыт показывает, что в ряде слу­ чаев при низком давлении вода не поступает в пласт. Это отмеча­ ется, как правило, на участках с интенсивно перемятым углем и при высоком давлении газа. В подобных условиях механизм увлажнения иной, и необходимый эффект достигается путем обра­ зования в пласте высоким давлением воды системы трещин.

При высоких давлениях воды, превосходящих давление горных пород, возможен гидроразрыв угольного пласта. Чем выше давле­ ние воды и скорость нагнетания, тем менее процесс управляем, тем •больше угроза прорывов воды в направлениях наименьшего сопро­ тивления, тем менее равномерно увлажнение пласта и меньше эф­ фективность профилактики газодинамических явлении. Медленное насыщение водой при небольших давлениях приводит к более рав­ номерному увлажнению и изменению механических свойств,'однако •оно требует длительного времени. В конечном счете эффективность профилактического увлажнения зависит от величины опережения забоев подготовительных выработок и длительности процесса увлажнения.

Из других региональных мероприятий находят применение глу­ бокая дегазация угольных пластов и опережающее рыхление (тор­ педирование) зарядами ВВ в длинных скважинах.

Каждый из этих способов имеет свои преимущества и область применения, однако общим для них, как и для профилактического увлажнения, является необходимость достаточного опережения подготовительными работами очистных забоев для осуществления •большого объема буровых работ и для длительного воздействия на угольный пласт. Кроме того, применимость всех этих способов зависит от возможностей направленного бурения длинных (на вы­ соту этажа или подэтажа) скважин диаметром от 85 до 300 мм.

Преимущества дегазации — относительная простота технологии работ, отсутствие необходимости управлять режимом дегазации и возможность попутно управлять газовыделением в шахте и облег­ чать ее проветривание.

Однако этот способ может быть эффективен лишь при бурении длинных скважин большого диаметра (250—300 мм), что требует применения мощных станков и хорошего освоения техники направ­ ленного бурения. Такие скважины можно бурить лишь при доста­ точной устойчивости пласта, чтобы буровой инструмент не зажима­ ло в процессе бурения. При дегазации, применяемой для преду­ преждения внезапных выбросов, давление газа должно быть сни­ жено до безопасного предела; при низких давлениях процесс дега­ зации протекает очень медленно и поддерживается в основном за счет диффузии метана в порах угля, поэтому скважины должны действовать несколько месяцев и опережение подготовительных выработок, из которых они бурятся, должно доходить до 200 м и более. Оптимальными условиями применения глубокой дегазации являются: хорошая проницаемость угольного пласта (порядка де­ сятка миллидарси в условиях массива), средние прочность и устойчивость, допускающие бурение скважин без перебоев, и ча­ стичное обрушение стенок скважин по окончании бурения.

Торпедирование длинных скважин с гидравлической забойкой в принципе может рассматриваться как мероприятие по разгрузке и дегазации пласта посредством его разрыхления. По данным наблю­ дений МакНИИ, эффективный диаметр скважин при торпеднрова-

шш увеличивается в 2—3 раза. Однако по техническим (искривле­ ние) и экономическим причинам длинные скважины невозможно бурить достаточно близко одну к другой, чтобы их радиусы разгруз­ ки перекрывались. Поэтому фактически торпедирование лишь улуч­ шает дегазацию угольного пласта и дает возможность использо­ вать для этой цели скважины малого диаметра. Увлажнение плас­ та при торпедировании с водяной забойкой невелико и поэтому су­ щественно иа понижение выбросоопасностп не влияет.

§ 3. Л О К А Л Ь Н Ы Е МЕРОПРИЯТИЯ

Способы борьбы с внезапными выбросами угля и газа, приме­ няемые непосредственно в забое выработки, в преобладающем своем большинстве основаны на изменении напряженно-деформи­ рованного состояния угля и давления газа в призабойной зоне пласта, и лишь способ увлажнения предусматривает повышение пластичности угля и закупорку заключенного в нем газа.

Воздействие на угольный массив с целью уменьшения его вы­ бросоопасностп осуществляется в большинстве случаев при по­ мощи воды, подаваемой в него в различных режимах (увлажнение угольного массива, гидроотжим угля, гидроразрыв угольного пла­ ста, гидровымывание опережающих полостей и щелей). Часть способов (торпедирование пласта, камуфлетно-сотрясательное взрывание) основана на использовании эффекта глубинного взры­ вания зарядов взрывчатых веществ. Меньшая группа способов (бурение опережающих скважин различного диаметра, опережаю­ щих щелей) основана на разгружающем действии полостей без какого-либо дополнительного повышения эффективности их дей­ ствия.

Все перечисленные локальные способы борьбы с выбросами тре­ буют бурения скважин. В то же время известно, что опасные по внезапным выбросам участки пластов сложены интенсивно перемя­ тым углем, по которому бурение скважин является крайне трудо­ емким процессом. Отступление от проектных параметров скважин в процессе их бурения влечет за собой снижение эффективности применяемого способа борьбы с выбросами.

Выбор локальных защитных мероприятий должен основываться прежде всего на оценке устойчивости угольного пласта к внешним воздействиям. В этом отношении выбросоопасные угольные пласты могут быть разделены на три группы.

Первая группа — это неустойчивые пласты с непрочным сыпу­ чим углем, склонные к внезапным высыпаниям.

Для таких пластов при крутом их падении рекомендуются: опе­ режающее крепление нависающего массива, выемка угля под за­ щитой передвижного щита, механическая (при помощи сетчатого щита) защита рабочего места, выбуривание пласта при дистанци­ онном управлении машиной.

Для пологих пластов с непрочным, сыпучим углем, не допус­ кающих бурения опережающих и увлажнительных скважин, наибо­ лее подходящим защитным мероприятием является гидравлическое вымывание опережающих полостей и щелей.

Вторая группа — пласты средней устойчивости, крутые и поло­ гие, любой мощности; для них рекомендуется в первую очередь бурение опережающих скважин большого диаметра при дистанци­ онном управлении станком или устройство специальных защитных ниш на некотором расстоянии от забоя; на тонких пластах — выбу­

кровле и наличии на шахте гидравлического хозяйства — высокона­ порное (свыше 50 кгс/см2 ) увлажнение угля впереди и по бокам забоя, сопровождающееся гидравлическим разрыхлением и отжи­ мом угля в забое.

Третья группа — пласты устойчивые (с отдельными пачками мягкого угля пли без них), выбросоопасность которых связана с локальными изменениями прочностных свойств. Для этих условий могут быть рекомендованы методы разрыхления угля комуфлетными зарядами или высоконапорное увлажнение (при давлении воды 100 кгс/см2 и выше), сопровождающееся гидроотжнмом.

Одно из самых распространенных мероприятий по борьбе с вне­ запными выбросами — бурение опережающих скважин в качестве локального мероприятия в очистных забоях зачастую оказывается неэффективным. Бурение их может осуществляться лишь легкими буровыми станками на глубину 5—6 м при диаметре, в большинст­ ве случаев не превышающем 120 м<м. При такой глубине скважины внедряются в требующую разгрузки область концентрации напря­ жений лишь на пластах тонких (мощностью 0,5—0,8 м) с углем средней и более высокой прочности. На пластах большей мощно­

Радиус разгрузки скважинами диаметром 120 мм очень мал: в зависимости от прочности угля составляет обычно от 0,2 до 0,5 м. При длительном стоянии радиус влияния мог бы несколько уве­ личиться засчет обрушения стенок скважин и за счет дегазации угля, однако в движущемся очистном забое эти процессы не успе­ вают осуществиться. Поэтому скважины необходимо располагать очень часто, и общее число скважин в лаве может дойти до 50 и больше.

Таким образом, по глубине внедрения, радиусу влияния и дли­ тельности действия опережающие скважины, буримые из очистного забоя, оказываются малоэффективными, а при редком расположе-

нин их вдоль лавы — еще и опасными, .так как если области влия­ ния скважин взаимно не перекрываются, между ними искусственно создаются зоны опорного давления, увеличивающие опасность пласта по выбросам. Очевидны и неудобства, возникающие при периодической и длительной работе буровых станков в очистных забоях.

Увлажнение очистного забоя через короткие скважины яв­ ляется довольно эффективным способом. Однако необходимо учи­ тывать следующее: при небольшой глубине герметизации скважин вода под давлением может прорываться в сторону обнажения пласта, не успевая смачивать уголь. Время стояния увлажнитель­ ных скважин настолько ограничено, что даже при отсутствии про­ рывов воды она не успевает глубоко проникнуть в систему пор угля, а внедрение воды за счет капиллярного движения не может быть реализовано. При попытках увлажнения угля через короткие скважины обычно получаются перемежающиеся зоны увлажнен­ ного и сухого угля, что усиливает неоднородность механических свойств угля и повышает его опасность по газодинамическим яв­ лениям.

Известные недостатки сотрясательного взрывания — вывалы по­ род кровли, образование больших пустот от спровоцированных вы­ бросов, опасность запоздалых выбросов и дезорганизация ритмич­ ного процесса очистных работ — проявляются в лавах в большей степени, чем в забоях подготовительных выработок.

При выборе и применении локальных способов борьбы с вне­ запными выбросами угля и газа (в отличие от региональных) не­ обходимо учитывать технологию ведения горных работ. В неко­ торых случаях приходится обеспечивать эффективное сочетание способов борьбы с выбросами как с технологическими процессами в забое, так и со способами пыле- и газоподавления. Так, например, на некоторых выбросоопасных пластах Карагандинского бассейна при проведении выработок проходческими комбайнами с гндроотжимом как способом борьбы с выбросами для пылеподавления при­ меняется пена, а для снижения газовыделения в выработку — ограждающая дегазация длинными скважинами. В подобных усло­ виях значительную трудность представляет выбор оптимальных параметров для сочетания комплекса способов, обеспечивающих безопасность работ.

§4. ГОРНОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ,

ОП Р Е Д Е Л Я Ю Щ И Е ВЫБОР СПОСОБОВ Б О Р Ь Б Ы

СВЫБРОСАМИ

сближенные пласты и при этом проявляется взаимное влияние от­ работки соседних пластов, целесообразно применять первооче­ редную отработку защитных пластов. При этом способе борьбы с

выбросами' исключаются какие-либо технологические помехи в ве­ дении горных работ на подзащитных (опасных) пластах, неминуе­ мо возникающие при других способах предупреждения внезапных выбросов. .

Как по фактору безопасности, так и по экономическим показа­ телям опережающую разработку защитных пластов целесообразно применять при любых горногеологических условиях залегания сближенных пластов, даже если все они подвержены внезапным выбросам. В последнем случае угольный пласт, принятый к отра­ ботке первым, должен разрабатываться с применением других профилактических мер по предупреждению внезапных выбросов угля и газа.

При большой мощности пород междупластья как при надработке, так и при подработке выбросоопасных пластов условия эф­ фективного использования этого способа определяются прежде всего изменениями напряженного состояния и газофильтрацион­ ного режима, которые сопутствуют этой отработке. При небольшой величине междупластья могут возникнуть осложняющие факторы, затрудняющие применение этого регионального способа. Так, при совместной разработке двух опасных по выбросам пластов, из ко­ торых один является потенциально защитным по отношению к дру­ гому, качественное нагнетание воды в длинные скважины может быть применено лишь при полном отсутствии горных работ на под­ защитном пласте.

Другим осложняющим фактором, относящимся к случаю под­ работки сближенного выбросоопасного пласта, является возмож­ ность его нормальной эксплуатации после того, как защитный пласт будет отработан. Подобный вопрос возникал, в частности, в Воркутском месторождении в связи со сравнительно небольшой (15—25 м) мощностью пород, разделяющих выбросоопасный пласт Тройной и неопасный пласт Четвертый, хотя эффективность за­ щиты от динамических явлений здесь не вызывала сомнений. Та­ ким образом, ответ на вопрос, будут ли подработанные пласты пригодны к нормальной разработке, служит окончательным крите­ рием при выборе рационального порядка отработки свиты пластов, включающей выбросоопасные пласты. '

Необходимо решить и еще один, также весьма важный вопрос. При подработке остается незащищенной и даже более пригруженной, а потому и более опасной по выбросам, нижняя часть этажа на опасном пласте. В этой зоне создаются благоприятные условия для возникновения выбросов, что подтверждается рядом примеров

работы по вышележащему пласту Двойному велись с опережением по отношению к пласту Четвертому на 22 м. Но вследствие быст-

ка на предварительно увлажненном участке. Было установлено, что скважины, которые бурились сверху вниз длиной 25—30 м, не соответствовали проектным параметрам, некоторые из них полу­ чались короче, герметизация на перемятом угле была ненадежной.

Способы борьбы с выбросами, требующие бурения скважин, це­ лесообразно применять на крутых пластах, т. е. при небольшой наклонной высоте этажа. Однако в этих условиях следует учиты­ вать следующую особенность в применении региональных мер.

Прежде всего, региональные способы с расположением сква­ жин по падению или восстанию пласта целесообразно применять в тех условиях, где высокая степень выбросоопасности пласта про­ слеживается на большом протяжении.

личие целиков угля, оставляемых при той или иной системе раз­ работки по технологическим причинам.

В зависимости от горногеологических условий для наиболее широко встречающегося случая залегания пластов в свите могут быть следующие варианты применения региональных и локальных способов.

1. Пласт А, разрабатываемый в первую очередь, является не­ опасным по внезапным выбросам угля и газа. При отработке плас­ та А никаких мер по предупреждению выбросов не применяется, при отработке подзащитных пластов Б, В и т. д. под целиками

2. Пласт А, принятый к первоочередной отработке, является опасным по внезапным выбросам. В этом случае при его отработ­ ке наиболее предпочтителен одни из региональных способов (увлажнение, торпедирование через длинные скважины); при не­ возможности их осуществления применяются локальные меры пре­ дотвращения выбросов.

Отработка других пластов свиты, находящихся в зоне влияния защитного пласта, под оставленными целиками производится так­ же с применением мер по предотвращению выбросов..

Относительно необходимости применения мер по предупрежде­ нию внезапных выбросов угля и газа под целиками, оставляемыми на защитных пластах, существует несколько точек зрения. Здесь, по-видимому, прежде всего следует учитывать размеры оставля­ емых целиков, которые изменяются в больших пределах как на пологом, так и на крутом падений.

Длительная практика разработки сближенных выбросоопасных пластов большой мощности на Прокопьевском месторождении Кузбасса показала, что несмотря на наличие многочисленных це­ ликов угля, остающихся в выработанном пространстве, выбросы под ними крайне редки. Объясняется это тем, что при принятом способе управления кровлей перепуском породы из вышележащего

пространства целики угля разрушаются. Обрушившаяся порода на крутом падении скатывается, и плотность заполнения очистного пространства по высоте лавы неодинакова.

Наблюдения за распределением внезапных выбросов в зонах влияния целиков, оставленных на защитных крутых пластах, по­ зволили установить, что выбросы приурочены, как правило, к це­

участковые) достаточно хорошо сохраняют свои размеры, даже при незначительной ширине.

На пологих и наклонных пластах обрушившаяся порода оста­ ется лежать на месте, и устойчивость целиков угля зависит только от давления горных пород. Размеры целиков на пологих пластах, как правило, больше, чем на крутых пластах. Это значит, что при пологих пластах необходимо учитывать при опережающей разра­ ботке защитных пластов целики самого различного назначения, в том числе и околоштрековые.

При нескольких сближенных выбросоопа'сных пластах остав­

работке в плановом порядке (межучастковые, охранные), распо­ лагаемых обычно в створе один с другим, остаются и другие цели­ ки, в ряде случаев защитное действие может быть полностью лик­ видировано.

В подобных условиях несмотря на опережающую отработку за­ щитного пласта на опасных пластах следует применять региональ­ ные меры по предупреждению внезапных выбросов (если выбро­ сы происходят при ведении подготовительных и очистных работ) или же переходить на повсеместное применение локальных мер.

При выборе той или иной группы способов борьбы с внезапны­ ми выбросами обычно возникает вопрос, для каких горных выра­ боток могут быть применены региональные или локальные спо­ собы.

Для случая вскрытия выбросоопасных пластов стволами и главными квершлагами опережающая отработка защитных плас­ тов практически неприемлема. Это объясняется тем, что квершла­ ги, как правило, проводятся в тех частях шахтного поля, где очи­ стные работы на соседних пластах не производились.

Использование эффекта разгрузки при вскрытии опасных плас­ тов участковыми и промежуточными квершлагами возможно лишь в тех случаях, когда эти квершлаги проводятся с полевого штрека, заложенного в средней части свиты, причем верхние пласты этой