книги / Механика горных ударов и выбросов

этот эффект аналогичен защитному действию пластов. Отрыв

втаких условиях осуществляется отрывающей силой mr{pi—р2),

иусловие отделения частиц можно записать в виде (7.1), где те­ перь величина тг интерпретируется как доля поверхности, к ко­ торой приложено давление газа: Тогда при малой водонасыщенности тг близко к эффективной пористости. Для этого случая условие (7.1) предложено в работе [65].

Прямая экспериментальная проверка формул типа (7.1) для выбросоопас­ ных углей является весьма трудной задачей, поскольку из-за высокой трещи­ новатости и низкой прочности материала очень трудно изготовить образцы. Сейчас эти трудности успешно преодолеваются. Так, в [59] приведены важные экспериментально полученные зависимости для углей. Они хорошо согласуются с формулой (7.1). Имеются и косвенные свидетельства в пользу соотношений

опорного и газового давления, получаемые показатели прсНности на отрыв оказываются заниженными. Наглядной иллюстрацией этого служат результаты сравнительных испытаний угля в разгруженном пласте и в зоне опорного дав­ ления [47]: прочность в последнем случае падала в четыре раза. Таким обра­ зом, для угольных пластов как левая, так и правая часть (7.1) содержат весь­ ма неопределенные параметры. Поэтому, если стандартизировать метод Опреде­ ления Ор, то величину т г следует оценивать непосредственно по статистике выбросов. Для малопрочных выбросоопасных углей при ориентировочном зна­ чении ар—0,03 МПа выбросы имели место при р^О.Б МПа. Тогда согласно

вид pi—Рг^14/кр. Сопоставляя с рис. 71, обнаруживаем вполне удовлетвори­ тельное согласие с результатами 'наблюдений, если принять во внимание, что зависимость / кр~10ор [МПа] является грубо приближенной.

Понятно, что упомянутая выше значительная неопределенность параметров не является недостатком теоретических или экспериментальных исследований, а отвечает имеющей место в реальности сложной структуре выбросоопасных угольных пластов, недетерминированности свойств материала, условий его на­ гружения и деформирования. Фактически приходится оперировать с матема­ тическими ожиданиями величин с очень большой дисперсией. При этом именно

вать лишь грубые оценки величины тт. Если к тому же учесть, что и фильтра­ ционные свойства являются не менее неопределенными, то становятся понятны те трудности, с которыми сталкиваются на практике при прогнозе выбросов угля и газа, В большинстве случаев прогноз основывается на косвенных харак­ теристиках величин, входящих в условие отрыва. Так, при измерении скорости газоотдачи (метод АР [71]) фиксируется уровень поврежденности материала. Сейсмоакустическая' активность и повышенный выход штыба свидетельствуют обинтенсивных процессах, снижающих ст;) и увеличивающих пгг, и т. д.

Сказанное, конечно, не означает, что условия отрыва и другие соотноше­ ния, формулируемые для математических ожиданий величин с большой дис­ персией, бесполезны. Они, безусловно, нужны для ясного понимания существа происходящих процессов, оценки значимости различных факторов, выявления тенденций в изменении выбросоопасности при проведении тех или иных меро­ приятий и для правильного использования последних. Большие разбросы пара­ метров, имеющие место на практике, никак не затрагивают сути явления и не могут помешать достижению этих целей. Они лишь образуют своеобразный фон, напоминающий все время о том, что речь идет не столько о величинах, сколько об ихпорядках; о бесплодности расчетов и экспериментов, учитывающих фак­ торы, влияние которых значительно перекрывается разбросом наиболее суще­ ственных параметров; о целесообразности использования простых идеализиро­ ванных схем, улавливающих сущность явления.

Несомненно, что если не конкретизировать вид функции mr, то формула (7.1) является достаточно общей, чтобы описать произ­ вольное поведение материала при совместном действии сжатия и внутреннего порового давления. Существенное значение имеет лишь тот факт, что величина mr растет с ростом сжатия, парал­ лельного поверхности обнажения, и уменьшается при заполнении пор и трещин жидкостью. Для качественного^'анализа и общих рассуждений в большей конкретизации нужды нет.- Однако для количёственной •характеристики выбросоопасности желательно провести дополнительные специальные эксперименты на сильно по­ ристых материалах. В дальнейшем при получении численных ре­ зультатов будем ориентироваться на указанные выше оценки ве­ личины nir, полученные на основе имеющихся в настоящее время экспериментальных данных.

Из (7.1) следует возможность предотвращения выброса с по­ мощью понижения порового давления в призабойной области pi(|), величины mr, а также с помощью увеличения противодав­ ления р2 и прочности dp. Легко также понять сущность различных мер борьбы с выбросами, их прогнозирования и ограничения ин­ тенсивности. Так, например, отработка защитных пластов, буре­ ние дегазационных скважин уменьшают левую часть неравенства, поскольку падает давление pi(Q . Нагнетание воды в угольный пласт или разгрузка от горного давления песчаника уменьшает mt. Прогноз выбросоопасности по показателю начальной газоотдачи АР в сущности фиксирует участки с низкой прочностью, так как между АР и средним расстоянием между трещинами, определяю­

щим прочность Op, имеется тесная корреляция. Повышение проч­

в областях тектонических нарушений, предопределяет частое воз­ никновение в них выбросов. Нетрудно понять и смысл постановки щитов для ограничения интенсивности выброса: материал, запол­ няющий область между щитом и фронтом волны, способствует повышению давления рг и препятствует его резкому сбросу. Ко­ лебания в давлении рг при отсутствии щитов сказываются на рас­ пространении волны, сообщая процессу циклический характер.

Условие отрыва (7.1) локальное, т. е. относится к одной точке: Для того чтобы выброса не было, нужно чтобы неравенство1про­ тивоположного знака

тг[р\{1)—р2\< о Р

выполнялось во всех точках призабойной области, в которых воз­ можно резкое обнажение поверхности. Понятно поэтому, что меры дрогнбза и профилактики должны охватывать всю область, где может происходить такое резкое обнажение. В частности,, увлаж­ нение й дегазация должны быть равномерными, так как в против­ ном случае статистически формирующийся фронт волны выброса пройдет по необработанным участкам и обогнет обработанные части. ' В Смысле равномерности воздействия наиболее эффективнйм средством предупреждения выбросов является отработка за­ щитных пластов, поскольку она действует на все точки призабой­ ной области.

Практика ярко иллюстрирует необходимость равномерного воздействия на призабойную область при использовании профи­ лактических мероприятий. Свидетельством тому служит не только наличие выбросов в случае неравномерной обработки выбросо­ опасного материала, но и следующий интересный факт. Иногда после выбросов песчаника в выброшенном материале обнаружи­ вают «стаканы»: Каждый из них представляет собой осесиммет­ ричный цилиндр с цилиндрической полостью, диаметр которой равен диаметру шпуров, бурившихся до выброса. Понятно, что эта полость является шпуровым отверстием. Толщина стенки «ста­ кана» порядка диаметра отверстия и соответствует размеру зоны необратимых деформаций и дегазации, возникающей вокруг шпу­ ра в песчанике. Давление газа в этой зоне мало, и отрывв ней оказывается невозможным. Образование «стакана» происходит вследствие огибания волной выброса осесимметричной дегазиро­ ванной.области вокруг шпурового отверстия.

Процесс разрушения на фронте волны выброса рассредоточен в пространстве в пределах некоторой зоны, определяющей эффек­ тивную толщину фронта (см. рис. 27). Она различна для разных материалов, составляя до 30 см для песчаников [1] и будучи весьма малой для углей. В точках на передней границе фронта EF (см. рис. 27) происходит зарождение неустойчивого роста трещин. Далее они прорастают, сливаются друг с другом и раскрываются

по мере приближения к задней границе АВ фронта. Одновремен­ но в них происходит изменение газового давления, вызываемое, с одной стороны, увеличением объема трещин, а, с другой — при­ током газа вследствие фильтрации через их стенки. В целом дав­ ление газа понижается по мере перехода от передней границы фронта, где оно составляет pi(Q, к задней границе, где оно рав­ но р2.

Изучение всех стадий постепенного перехода элементами сре­ ды через фронт разрушения представляет весьма сложную зада­ чу, напоминающую отчасти изучение структуры фронтов сильных ударных волн. Некоторые сведения, касающиеся описания рас­ средоточенного разрушения, содержатся в монографии [1]. Мож­ но надеяться, что дополнение схемы, принятой в этой работе, результатами механики разрушения позволит продвинуться в изу­ чении явлений, происходящих на фронте волны выброса. Подчерк­ нем, однако, что решающее значение имеет прежде всего зарож­ дение неустойчивого роста трещин на фронте. Именно оно предопределяет саму возможность последующих процессов и, тем самым, возможность развития выброса. Поэтому первостепенное значение для прогноза и предупреждения выбросов имеют усло­ вия отрыва, подобные рассмотренным выше и отвечающие зарож­ дению неустойчивого роста трещин.

Фильтрация газа через, фронт волны вызывает снижение дав­ ления газа и-расход импульса на придание газу скорости в на­ правлении к выработке. Тем самым снижается отрывающее уси­

ленном обнажении перепад давления р\—рг уменьшается из-за фильтрации и может оказаться недостаточным для отрыва. По­ этому скорость обнажения имеет, согласно упоминавшимся экспе­ риментальным данным, большое значение для инициирования выброса. Если толщина фронта у0, а время обнажения to, то усло­ вием выброса является требование, чтобы на расстоянии уо от обнажаемой поверхности за время to давление р\ не упало вслед­ ствие фильтрации до значения, при котором нарушается неравен­ ство (7.1). Таким образом, при учете скорости обнажения нужно определить зависимость' р\ от расстояния и времени. Это может быть сделано обычными методами теории фильтрации. Сложность представляет не решение задачи, а то, что при быстром сбросе давления фильтрация имеет не ламинарный, а турбулентный ха­ рактер и соответствующий коэффициент газопроницаемости явля­ ется в большинстве случаев весьма неопределенной величиной, имеющей большой разброс. Поэтому заключения, получаемые на основе точных решений задач о фильтрации, добавляют сравни­ тельно мало практически применимой количественной информа­ ции к очевидным качественным выводам о снижении опасности с уменьшением скорости обнажения. В случае мгновенного сброса давления решение автомодельно и дано в работах [30, 58], где

обсуждается в связи с условиями отрыва. В дополнение к полу­ ченным выше заключениям выясняется слабая зависимость доста­ точных силовых условий выброса от сорбционных свойств мате­ риалов.

7.3. РОЛЬ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ

Важная роль газа в процессе выбросов настолько очевидна, что порождает иногда тенденцию к пренебрежению горным дав­ лением. На этой почве возникают чисто «газовые» концепции вы­ бросов и недооценка роли горного давления. Остановимся поэтому на тех доводах, которые приводятся для доказательства преиму­ щественного значения газа в противовес горному давлению. Эти доводы касаются лишь выбросов угля и газа. Основой противо­ поставления служат следующие факты, установленные шахтной практикой и экспериментами:

1. Нижние малодегазированные части лав гораздо опаснее в отношении выбросов, чем верхние, заметно дегазированные от­ работкой верхнего горизонта.

2.Наиболее опасны кутки, а наиболее безопасны сами уступы, хотя горноё давление в первых меньше, чем во вторых; давление же газа в кутках выше, чем в уступах.

3.Полость выброса зачастую отделяется от забоя нетронуты­ ми целиками, т. е. остается целым именно тот участок массива, который больше всего подвергался горному давлению.

4.Подготовительные выработки в отношении выбросов опас­ нее, чем очистные, хотя горное давление около них меньше; на­ оборот, газовое давление около подготовительных выработок обычно выше.

5.Выбросы происходят иногда через длинные шпуры или де­ газационные скважины, пробуренные за пределы зоны повышен­ ного горного давления.

6.Наиболее вероятны выбросы при вскрытии пластов; горное давление при этом не выше, чем при отработке пластов.

7.Выбросы угля и газа воспроизводятся в лаборатории без всякого участия горного давления путем насыщения газом под давлением 2—5 МПа естественного образца или брикета в герме­ тичном сосуде, стенка которого быстро удаляется.

Перечисленные доводы делятся на две группы. Первая из них (пункты 1—4) подчеркивает резкое снижение выбросоопасностн при дегазации угля вне зависимости от горного давления. Вторая группа (пункты 5—7) фиксирует высокую выбросоопасность вне зависимости от горного давления при полном отсутствии дегаза­ ции. На первый взгляд, отсюда следует вывод о независимости выбросоопасностн от горного давления. Нетрудно, однако, заме­ тить, что оснований для такого вывода все же нет. Для того что­ бы он был справедлив, необходимо было бы иметь сведения су­ щественно иного рода. А именно, нужны свидетельства того, что при одном и том же давлении газа в призабойной части угольного пласта выбросоопасность не изменяется с изменением горного

давления. Из приведенных же фактов вытекает лишь то совер­ шенно очевидное следствие, что опасность выброса устраняется снижением газового давления ниже некоторого характерного для данного материала уровня (пункты 1—4) и менее очевидный, но также вполне понятный вывод о том, что для слабых выбросо­ опасных углей создание большого перепада газового давления до­ статочно для развития выброса (пункты 5—7). Значительно более сильный вывод о полной независимости выбросоопасности от гор­ ного давления из перечисленных фактов не следует.

Более того, из имеющихся данных наблюдений вытекает, что при прочих равных условиях выбросоопасность существенно зави­ сит от горного давления. Об этом свидетельствует тот факт, что в опасных зонах резко возрастает сейсмоакустнческая активность пластов. Это обстоятельство широко используется на практике для прогноза выбросов. Таким образом, только в предельных случаях очень малых и достаточно больших давлений газа вблизи от места обнажения выбросоопасность угля перестает зависеть от горного давления.

Детальное исследование роли горного давления при фиксиро­ ванном давлении газа для угольных пластов осложняется тем, что газопроницаемость угля резко меняется при изменении условий нагружения. Поэтому создать равные условия в отношении газо­ вого давления на практике очень трудно. Однако сама эта труд­ ность указывает на большое значение горного давления. Послед­ нее не только повреждает материал и тем способствует его дроб­ лению, но и управляет газовым давлением в призабойной области. Это особенно очевидно при разгрузке от горного давления опас­ ных пластов защитной выемкой. Снижение выбросоопасности при этом в значительной мере обусловлено дегазацией, происходящей благодаря повышению коэффициента фильтрации. Из практики отработки выбросоопасных угольных пластов хорошо также из­ вестно, что ведение горных работ в зонах влияния целиков, остав­ ленных на смежных пластах, сопровождается значительным уве­ личением опасности по сравнению с разгруженными от горного давления зонами.

Выше намеренно не затрагивались выбросы солей и песчани­ ков, чтобы показать, что даже для угольных пластов нельзя пре­ небрегать ролью горного давления. Особенно же рельефно значе­ ние последнего как самостоятельного фактора выделяется при рассмотрении материалов, низкая фильтрационная способность которых не позволяет резким изменениям в газовой обстановке перед забоем камуфлировать роль горного давления. Достаточно заметить, что выбросоопасность песчаников надежно прогнозиру­ ется по делению керна на диски. Такое деление имеет место лишь при высоком горном давлении, возникающем на достаточно боль­ шой глубине. Даже при значительных давлениях газа выбросы песчаника в Донбассе, например, не происходят на глубинах, меньших 700 м. Причина этого состоит в том, что для отделения частиц этой весьма прочной породы очень существенно прораста-