Внезапные выбросы горных пород и газа горные удары реферат

Обновлено: 07.07.2024

Проблема борьбы с газодинамическими явлениями в глубо­ких угольных шахтах стала одной из наиболее актуальных во многих угольных бассейнах. Многие угольные пласты Донецко­го бассейна склонны к внезапным выбросам угля и газа, а с глубины 700—800 м здесь все чаще происходят выбросы породы, которые весьма осложняют подготовку новых горизонтов и строительство глубоких шахт. Внезапный выброс представляет собой быстропротекающее разрушение, призабойной части газоносного угольного или по­родного массива под воздействием сил горного давления, дав­ления газа и собственной массы угля, сопровождающееся от­бросом или обрушением угля (породы) в горную выработку и обильным газовыделением, превышающим обычное газовыде­ление.

Основные признаки происшедшего внезапно­го выброса угля и газа: образование в угольном масси­ве характерной полости, отброс угля от забоя в горизонтальных выработках крутых пластов и во всех выработках пологих пластов, наличие повышенного по сравнению с обычным содер­жания газа в горной выработке после выброса.

Дополнительные признаки происшедших внезапных выбросов угля и газа: механическое по­вреждение крепи выработки отброшенным углем, повреждение и отброс оборудования, установленного в выработке, наличие тонкоизмельченного пылевидного угля в конце откоса выброшенного угля и на крепи, а иногда и по всей выброшенной мас­се, меньший угол откоса выброшенного угля в горизонтальной выработке по сравнению с углом его естественного откоса.

Предупредительные признаки внезапных выбросов: уменьшение прочности угля, выдавливание угля из забоя, усиленное давление на крепь, удары и трески различной силы и частоты в массиве, отскакивание кусочков угля и шелушение забоя, появление пылевого облака, резкое выделение газа в выработку, зажим штанг, выброс штыба и газа при бурении скважин.

Выброс породы и газа представляет собой явление возни­кающее в некоторых песчаниках впереди забоя выработки при взрывных работах за пределами непосредственного воздействия ВВ и характеризующееся быстроразвивающимся разрушением массива с отбросом породы и выделением газа. Основной определяющий признак выброса - характерное измельчение основной массы породы на чешуеобразные пластины, оконтуривающие полость выброса и дробящиеся при отбросе до состояния песка.

Понятие о горных ударах

Горный удар представляет собой быстро протекающее разрушение целика или части массива угля (породы), прояв­ляющееся в виде выброса угля (породы), в подземные выработ­ки с нарушением крепи, смешением машин, механизмов, обору­дования и т.д. Удар сопровождается резким звуком, сотрясением горных пород, образованием большого количества пыли и воздушной волной. На газоносных угольных пластах горный удар может сопровождаться усиленнымгазовыделением.

По силе проявления горные удары подразделяют на собст­венно горные удары, микроудары, толчки и стреляния.

Микроударпроявляется в виде выброса или осыпания угля (породы) в горные выработки без нарушения крепи и без сме­щения машин и механизмов. Микроудар сопровождается зву­ком, незначительным сотрясением массива горных пород и образованием пыли.

Толчок проявляется в разрушении пласт угля (породы) в глубине массива без выброса в горную выработку. Толчок сопровождается звуком, сотрясением массива, появлением пыли.

Стреляниепроявляется в отскакивании от угольного пласта (пород) отдельных кусков. Оно сопровождается резким звуком.

Классификация горных пород физико-механическим свойствам

Для возможности сравнения прочности различных пород с целью создания эффективных средств механизации разработки нормативов производительности машин и труда рабочих приближенной экономической оценки 3

Показатели буримости получают для так называемых стан­дартных условий, предусматривающих применение одного типа бурового молотка по всем категориям крепости горных пород при одной форме и диаметре коронки, бурение шпуров глубиной 1м при давлении воздуха 0,45 Мпа. При применении для опре­деления буримости пород других типов перфоратора формы и диаметра коронки рекомендуются поправочные коэффициенты полученные опытным путем.


АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СПОСОБОВ БОРЬБЫ С ГОРНЫМИ УДАРАМИ И ВНЕЗАПНЫМИ ВЫБРОСАМИ ГАЗА И ПЫЛИ

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

При подземной разработке месторождений полезных ископаемых могут происходить динамические формы проявления горного давления в виде внезапного разрушения участков массива пород, находящихся в сложном напряженно-деформированном состоянии. В практике горного дела все динамические явления разделяют на горные удары и внезапные выбросы газа и пыли.

Горные удары обладают значительной разрушительной силой и, как правило, носят характер крупных аварий, резко нарушающих нормальную деятельность предприятия. Горный удар возникает внезапно, сопровождается резким звуком, сотрясением горного массива, образованием большого количества пыли и воздушной волной. На газоносных угольных пластах удар приводит к повышенному газовыделению, а на крутых пластах может вызвать обрушение или высыпание угля.

Горным ударом считается мгновенное хрупкое разрушение угольного (рудного) целика, краевой части пласта (массива) или боковых пород, находящихся в предельно напряженном состоянии, проявляющееся в виде отброса или выдавливания угля (породы) в горные выработки и приводящее к повреждению горной крепи, смещению машин, оборудования и нарушению технологического процесса.

При сильных горных ударах в подземных горных выработках отмечалось сотрясение земной поверхности на расстоянии нескольких сот километров от эпицентра динамического явления. [1]

Внезапные выбросы горных пород и газа - это газодинамическое явление, в котором участвуют упругие силы предельно-напряженных горных пород, сжатого газа и сила тяжести.

Внезапный выброс (выдавливание) угля и газа или выброс породы и газа представляет собой опасное и сложное газодинамическое явление, возникающее в газоносных угольных пластах и породах и характеризующееся быстроразвивающимся разрушением массива с отбросом (смещением) горной массы и выделением газа в горную выработку.

Развитие выброса происходит внешне в форме лавинообразного смещения, дробления горных пород (угля, соли, песчаника, руд) и выноса раздробленной массы выделяющимся газом (СН2, СО2, N2, Н2) в атмосферу горных выработок. Это явление сопровождается сильными звуковыми колебаниями.

Происшедший выброс характеризуется отбросом пород за пределы угла естественного откоса, тонким измельчением отброшенной горной массы и измельчением угля до тончайшей пыли ("бешеной муки"), повышенным по сравнению с обычным газовыделением, снижением температуры, образованием характерной полости, а для пород - увеличением площади поперечного сечения выработки, превышающим паспортные размеры. [2]

Проблема горных ударов и внезапных выбросов газа и пыли остро ощущается в разных районах мира и при разработке угольных месторождений. Опасные по горным ударам пласты угля разрабатывают шахты бассейнов Рура в ФРГ, Фюво во Франции, Верхней Силезии в ПНР, Южного Стаффордшира в Англии, Кемберленда в США, Кладно в Чехии, а также ряд шахт Германии, России, Канады, Австрии и других стран. [1]

Необходимость решения проблемы динамических явлений особенно остро встала в последние 20 лет, в связи с существенным возрастанием глубины разработки месторождений полезных ископаемых, а также необходимость разработки месторождений со сложными горно-геологическими условиями. Многолетняя история освоения таких месторождений наполнена многочисленными несчастными случаями на ряде рудников и шахт, вплоть до временного и или полного прекращения их деятельности.

Решением данной проблемы в России занимаются еще с 1950-х годов, проводятся комплексные шахтные, лабораторные и аналитические исследования, а также обширные горно-экспериментальные работы, которые позволили разработать теорию горных ударов и обширный комплекс мер по их предотвращению на шахтах. Основными результатами проделанной работы являются различные способы прогноза и предотвращения динамических явлений.

Борьба с горными ударами и выбросами осуществляется в направле­нии снижения напряженного состояния приконтурного массива путем управления горным давлением и изменения свойств горных пород и пере­вода их в потенциально неудароопасное состояние. При этом можно выде­лить следующие основные методы [2]:

1) Технологические.

2) Камуфлетное взрывание

3) Увлажнение горных пород

4) Бурение разгрузочных скважин

5) Использование поверхностно-активных веществ

Технологические методы состоят в выборе таких параметров разра­ботки месторождений, которые в максимальной степени нейтрализуют опасные последствия горного давления. К ним можно отнести: примене­ние специальных систем и порядка разработки, не допускающих значи­тельную концентрацию напряжений; максимально возможное уменьшение площади обнажений горных пород; учет тектонических нарушений и зон опорного давления соседних выработок; использование специальных форм сечения выработок и др.

Примером может служить способ разгрузки месторождения и снижение его удароопасности, включающий геодинамическое районирование месторождения, выделение тектонически подвижных блоков, выявление их динамического взаимодействия, оценку среднего уровня главных напряжений в массиве горных пород и степени потенциальной удароопасности месторождения и проведение мероприятий по разгрузке [3]. Данный способ заключается в том, что с целью разгрузки месторождений с любой конфигурацией рудного тела и повышения эффективности снижения потенциальной удароопасности месторождения за счет необратимого снятия тектонических напряжений, действующих в субгоризонтальной плоскости, определяют величину сдвижения массива горных пород вместе с месторождением в сторону земной поверхности, обеспечивающую необратимую разгрузку массива от повышенных тектонических горизонтальных напряжений и перевод его в неудароопасное состояние, а в качестве мероприятий по разгрузке производят сдвижение массива путем бурения скважин под месторождение, размещения в них и взрывания зарядов взрывчатого вещества.

Основными недостатками данного метода являются его трудоемкость, а в выработках, опасных по взрыву газа и пыли, также к излишне интенсивному истечению газа и горячих продуктов взрыва, что повышает опасность вспышек метана или пыли, а также низкая эффективность разгрузки массива.

Также известен способ двух-стадийной проходки выработки[4]. Это способ проведения пластовых выработок на пластах, склонных к внезапным выбросам угля и газа Он заключается в том, что для предварительной разгрузки пласта от действия сил горного давления и дегазации его осуществляют проходку передовой выработки уменьшенного сечения по породам непосредственной кровли пласта. При этом проходку этой выработки осуществляют на всю проектную длину или на длину не менее 200 м. После проведения передовой выработки осуществляют проходку пластовой выработки проектного сечения со скоростью, не превышающей скорость перемещения передовой выработки по породе. Ограничение скорости проходки выработки проектного сечения увеличивает время разгрузки и дегазации пласта передовой выработкой.

Основным недостатком данного способа является то, что он не устраняет выбросоопасности по следующей причине: расположение передовой выработки относительно выбросоопасного пласта в пределах мощности непосредственной кровли не ограничивается (Н). При этом величина породной толщи между подошвой выработки и пластом будет равна 0. (Н-h) (h минимальная высота передовой выработки, определяемая согласно требованиям "Правил безопасности в угольных и сланцевых шахтах). Согласно 37 ПБ высота h равна 1,8 м. Мощность непосредственной кровли может достигать 6-8m (m мощность угольного пласта).

Известен способ предупреждения горных ударов на пологих удароопасных пластах[5]. При осуществлении способа изучают стратиграфический разрез и геологическое строение свиты пластов и вмещающих пород, включающие и разрабатываемый удароопасный пласт, определяют пространственную ориентацию эндогенных трещин в кровле защищаемого пласта. Технологическую схему выемки пласта и направление подвигания очистного забоя выбирают таким образом, чтобы эндогенные трещины в породах кровли падали в сторону выработанного пространства и угол встречи линии очистного забоя и линии простирания этой системы трещин составлял 20-40°. Повышается безопасность и эффективность отработки пластов.

Основным недостатком данного способа является возможность его применения только при определенных горно-геологических условиях, а также данный способ значительно усложняет схему выемки пласта.

Известен способ разработки удароопасных пластов с использованием нижележащего неудароопасного пласта [6]. Метод, заключающийся в том, что изучают стратиграфический разрез и геологическое строение свиты пластов и вмещающих пород, включающие и разрабатываемый удароопасный пласт, определяют нижележащий неудароопасный защитный пласт, который подлежит первоочередной отработке (расстояние между защитным и защищаемым пластами должно быть не менее трех вынимаемых мощностей последнего и не более 40-80 м в зависимости от физико-механических свойств и состава пород междупластья); выбирают технологическую схему опережающей отработки защитного пласта, обеспечивающую ударобезопасное ведение горных работ на защищаемом пласте.

Недостатками этого способа являются:

- обязательное наличие неудароопасного защитного пласта, расположенного ниже защищаемого на расстоянии не менее трех вынимаемых мощностей защитного пласта и не более 40-80 м в зависимости от физико-механических свойств и состава пород междупластья;

- обязательное опережение горных работ на защитном пласте (не менее чем на 1,5 выемочных столба по падению), что в современных условиях и при длинных выемочных столбах может привести к отставанию во времени развития очистных работ на защищаемом (возможно более производительном) пласте на 1-2 года;

- увеличение в 1,3-1,5 раза себестоимости добычи угля, т.к. защитный пласт может быть низкокачественным и залегать в сложных горно-геологических условиях;

- низкая надежность способа из-за высокой изменчивости горно-геологических условий (мощности пластов и междупластий, физико-механических свойств и состава горного массива и др.).

Камуфлетное взрывание представляет собой взрывание заряда внут­реннего действия без выброса породы. При этом в массиве образуется зона трещиноватости, параметры которой определяются конструкцией и вели­чиной камуфлетного заряда. Вследствие развития трещин значительно уменьшается прочность и упругость массива, что, в общем случае, благо­приятствует процессам разработки пород. Чаще всего камуфлетное взры­вание используется для снятия напряжений при борьбе с горными ударами и выбросами. В этом случае накопленная массивом упругая энергия расходуется на смыкание образовавшихся трещин, т.е. на необратимую пла­стическую деформацию, тем самым предотвращая последующий горный удар.

В качестве примера приведем способ предотвращения динамических явлений при разработке угольных пластов во вмещающие горные породы бурят скважины, через эти скважины нагнетают водосодержащее жидкое взрывчатое вещество (ВВ) на участки ослабленных контактов слоев вмещающих пород, а сами скважины заполняют загущенной взрывчатой смесью [7]. Разупрочнение горных пород производят путем взрыва водосодержащего ВВ, причем инициирование взрыва осуществляют неэлектрическим способом.

Недостатком этого метода является невозможность обеспечения в достаточной степени разгрузки вмещающих пород выработки и не полное устранение вероятности горных ударов, особенно на участках расположения слоя крепкой породы в непосредственной близости от почвы выработки.

Увлажнение горных пород путем предварительного нагнетания воды в удароопасный массив. Жидкость, проникая в трещины, оказывает рас­клинивающий эффект, способствуя их дальнейшему развитию. Однако пе­ренапряженный удароопасный массив, как правило, не имеет открытых трещин, и проникновение воды в него практически невозможно. В этом случае используют гидроразрыв пород по контактам пластов за счет очень высокого давления нагнетания. Применение данного метода возможно только в слоистом массиве, например, на контакте угольного пласта и вмещающих пород.

Ярким примером этого метода является способ борьбы с внезапными выбросами угля и газа и горными ударами, включающий бурение скважин и нагнетание в них жидкости[8]. Этот способ заключается в том, что в скважины нагнетают электропроводящую жидкость, а на всю глубину скважин устанавливают электроды-релаксаторы, при этом электропроводящую жидкость нагнетают до возникновения между соседними скважинами устойчивой электрической цепи, проводимость которой прекращает расти при дальнейшей подаче жидкости.

Основным недостатком данного способа является высокая трудоемкость, а также затраты значительных временных ресурсов, поскольку проведение данных мероприятий требует оценки эффективности согласно нормативным методам: для удароопасных пластов – методом ВНИМИ, для выбросоопасных – методом ВостНИИ, и при выявлении неэффективности способ необходимо повторять.

Бурение разгрузочных скважин[9]. Этот способ заключается в том, что из ярусных штреков, которые при ведении очистных работ впоследствии окажутся в зоне опорного давления, в краевые части выемочного столба и околоштрекового целика бурят специальные разгрузочные скважины диаметром 150-390 мм, длиной 5-15 м и расстоянием между ними 1,5-5,0 м.

Недостатками данного способа являются:

- необходимость бурения большого объема скважин впереди очистного забоя (до 5000-10000 м один забой);

- значительные затраты на его осуществление, увеличивающие себестоимость добычи 1 т угля на 20-30%;

- низкая эффективность способа (по данным Калинин С.И. Геомеханическое обеспечение эффективной выемки мощных пологих пластов с труднообрушаемой кровлей механизированными комплексами. / С.И.Калинин, В.М.Колмогоров. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2002. - 113 с.): из 20 горных ударов на пласте 7-7а шахты "Распадская", 12 произошли в выработках, где он применялся).

Использование поверхностно-активных веществ. Благодаря высо­кой проникающей способности молекул ПАВ увлажнение массива проис­ходит достаточно эффективно. При этом развитие трещиноватости и уве­личение общей нарушенности массива под действием ПАВ существенно (в 2-3 раза) активизирует процессы ползучести горных пород. В пересчете на процесс релаксации, т.е. процесс уменьшения напряжений во времени при постоянной деформации, это эквивалентно снижению напряжений в приконтурном массиве в 1,5-2 раза. При этом пик напряжений смещается вглубь массива и не может участвовать в формировании горных ударов или выбросов. Кроме того, изменяется само состояние горных пород. За счет увеличения их пластичности заметно снижается доля упругих деформаций и горная порода переходит в неудароопасное состояние.

Выше приведена только малая часть существующих способов предотвращения динамических явлений, но ежегодно повторяющиеся случаи аварий на шахтах в результате динамических явлений (Таблица 1) говорят о том, что проблема решена не полностью. Необходима разработка более технологичных и эффективных методов для безопасного ведения горных работ.

Перед российскими горнодобывающими предприятиями стоят общие проблемы безопасности, характерные для всех стран с развитой горной промышленностью. Прежде всего, это связано с увеличением глубины горных работ и, соответственно, повышением горного давления и газоносности горного массива.

Известно, что основной особенностью проявлений горного давления при подземной разработке месторождений полезных ископаемых являются динамические и газодинамические явления в форме горных ударов и внезапных выбросов угля, породы и газа (далее, внезапные выбросы). В горнорудной промышленности - это горно-тектонические удары и собственно горные удары (далее - горные удары), микроудары, толчки, стреляния; внезапные выбросы соли и газа на калийных шахтах. В угольной промышленности - собственно горные удары, горно-тектонические удары, горные удары с разрушением почвы пласта, микроудары, толчки, стреляния; внезапные выбросы (выдавливание) угля и газа или выбросы породы и газа в газоносных угольных пластах и породах.

Опасными по горным ударам являются рудные шахты Северного Урала, Горной Шории, Норильского региона, Кольского полуострова, угольные шахты Кузнецкого и Печорского угольных бассейнов, Ростовской области, острова Шпицберген, а по внезапным выбросам соли и газа - рудные шахты Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей.

Из рудных месторождений одними из самых удароопасных в России являются Североуральские бокситовые залежи, при подземной разработке которых в течение последних 5 лет произошло два горных удара и в настоящее время продолжаются микроудары, толчки и стреляния.

Динамические и газодинамические явления приводят к тяжелым последствиям, в результате которых гибнут горняки, снижаются технико-экономические показатели работы угольных и рудных шахт. Так, за последние пять лет (с 2001 по 2005 гг.) на российских горнодобывающих предприятиях произошло (без учета микроударов, толчков и стреляний) 11 динамических и газодинамических явлений, в результате которых пострадали 13 человек (10 из которых погибли).

Благодаря разработке мероприятий по прогнозированию и предупреждению горных ударов и внезапных выбросов в последние годы удалось значительно сократить их количество, однако данная проблема остается не решенной.

Опыт разработки и внедрения новых параметров и методов прогноза, предупреждения динамических и газодинамических явлений показывает, что для этого требуется не менее 5 лет. Поскольку в настоящее время горные работы ведутся на глубоких горизонтах (1000 м и более) в сложных и часто изменяющихся горно-геологических и горнотехнических условиях, необходимо научиться заблаговременно и эффективно управлять состоянием массива для обеспечения безопасного ведения горных работ.

Следует отметить, что несмотря на нерешенность данной проблемы, из-за отсутствия финансирования практически прекращены прикладные научные исследования по отработке надежных методик прогнозирования и предупреждения горных ударов и внезапных выбросов на конкретных месторождениях [1].

В этих условиях технологически и экономически более выгодными являются способы разгрузки массива через скважины, пробуренные с поверхности или из горных выработок, поскольку они не связаны непосредственно с технологией ведения горных работ, не требуют непосредственного нахождения людей в опасных зонах, что способствует снижению производственного риска, повышению технико-экономических показателей работы очистных и подготовительных забоев и шахты (рудника).

Как показывают исследования, выполненные ВНИМИ, при ведении горных работ на больших глубинах и в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях в качестве одного из наиболее эффективных мероприятий по предупреждению горных ударов могут применяться технологии, используемые в нефтяной и газовой промышленности, позволяющие воздействовать на массив горных пород на больших площадях [2].

В качестве одного из технических решений, позволяющих управлять напряженно-деформированным состоянием массива горных пород на больших площадях, предлагается апробированная на угольных и нефтегазокон-денсатных месторождениях России волновая акустическая геотехнология интенсификации дебита эксплуатационных скважин (ВАГИДЭС). Технология ВАГИДЭС позволяет управлять состоянием массива как через скважины, пробуренные с поверхности, так и из подземных горных выработок угольных или рудных шахт. Локальным вариантом этой технологии является технология ЛАВОПОР (локальное акустическое возбуждение горных пород).

вестна корреляционная зависимость [5] предельного напряжения упругости от скорости звука в горной породе:

где: [Gv] - предел упругости горной породы, МПа;

С - скорость звука в горной породе, м/с.

Подставляя в формулу (1) вероятную скорость распространения звука в литологическом разрезе (например, в песчанике) равную 4000 м/с, получим значения предела упругости песчаника [Gv] = 15.6 МПа, превысив которое можно изменить его реологические свойства.

Превысив предельное напряжение сжатия (например, Осж= 52.0 МПа для песчаника) можно получить зону искусственной трещиноватости. Как показали расчеты и промышленные испытания, величины амплитуд давления на забое скважины на резонансных частотах на порядок превышают предел прочности пород на сжатие (табл. 1).

В таблице выборочно приведены результаты расчетов распределения амплитуды давления от осж до Ор на удалении r от скважины, при акустическом возбуждении литологического разреза на частоте 2.935 Гц.

Из табл. 1 видно, что на удалении 3400 м от скважины амплитуда давления в волне всё ещё находится около величины Ор.

Таким образом, возбуждая в пласте на заданном удалении от скважины упругие волны напряжений, амплитуда которых превышает предельные напряжения сжатия или предельные напряжения упругости, или, ведя акустическое возбуждение литологического разреза в пределах упругих напряжений, можно получить пространственные зоны различных его состояний, т.е. регулировать механические свойства горной породы по необходимости.

Устойчивость обширных и равномерных зон искусственной трещино-ватости достигается закреплением полученных трещин обломочным материалом, образуемым при истирании стенок трещин друг о друга при их колебательном движении.

Формирование обширных, равномерных и устойчивых зон искусственной трещиноватости способствует снижению концентрации напряжений и ее перераспределению вглубь массива, что приводит к созданию эффекта разгрузки массива на значительных площадях.

Для возбуждения упругих колебаний была разработана конструкция генератора упругих колебаний (ГУК) с заданными параметрами по частоте и глубине настройки, позволяющая достичь полного управления трещиноо-бразованием, вплоть до диспергации горной пароды на заданном расстоянии и заданном направлении.

Выполнение этих условий в сочетании с целенаправленным заложением скважин в поле угольной или рудной шахты позволяет за счёт управляемой интерференции упругих волн изменять механические свойства горных пород и возбуждать в нём направленные потоки газа к местам его инженерного извлечения.

Генератор упругих колебаний в технологии ВАГИДЭС представляет собой переоборудованные нагнетательные агрегаты 4АН-700, 1УН630-700А и др., а в технологии ЛАВОПОР - переоборудованные серийные высоконапорные насосные станции УНГ, УНГЛ, УНВ, АНУ-160 и др. Схемы разгрузки массива горных пород с поверхности по технологии ВАГИДЭС и из подземных горных выработок по технологии ЛАВОПОР приведены на рис. 1 и 2, соответственно.

Идея, физическая сущность и научная новизна технологии ВАГИДЭС и ЛАВОПОР защищены авторскими свидетельствами [6, 7].

Технологии ВАГИДЭС и ЛАВОПОР являются уникальными и позволяют заблаговременно провести дегазацию массива или его разгрузку от повышенных напряжений, т.е. привести в безопасное состояние массив горных пород на значительных площадях (S): ~200 тыс. м2 (R~500 м) - через скважины с поверхности; ~30 тыс. м2 (R~200 м) - из подземных горных выработок.

I - на литологический разрез:

а) угольные пласты (рудные тела);

б) породы кровли (висячий бок для рудных тел);

в) породы почвы (лежачий бок для рудных тел);

II - на углепородный массив:

а) мощностью до 50м (угольные пласты или рудные тела и вмещающие породы);

б) угольные пласты-спутники и породы почвы;

в) породы междупластья в свите угольных пластов (рудных тел).

Воздействие непосредственно на угольные пласты или рудные тела по технологии ВАГИДЭС и ЛАВОПОР могут привести к их структурному ослаблению, снижению устойчивости груди забоя, пород непосредственной кровли и снижению технико-экономических показателей работы забоев угольной или рудной шахты.

Поэтому при подземной разработке месторождений целесообразно применение следующих технологических схем воздействия на массив:

а) при подземной разработке угольных месторождений:

- схемы I-а, I-б и II-а - на участках с некондиционными (забалансовыми) запасами углей (для промышленной добычи метана);

- схемы I-в, II-б и II-в - при отработке балансовых запасов углей, поскольку созданная система искусственной трещиноватости позволяет дегазировать углепо-родный массив, разгрузить его от опасных значений концентрации напряжений и обеспечить безопасную работу очистных и подготовительных забоев этажа, панели, горизонта.

б) при подземной разработке рудных месторождений -схемы I-в, I-б, II-б и II-в.

Созданная ВАГИДЭС и ЛАВОПОР система искусственной трещиноватости позволяет разгрузить массив горных пород от опасных напряжений на значительных площадях, привести массив в неудароопасное состояние, обеспечить безопасное и эффективное ведение горных работ.


Лекции


Лабораторные


Справочники


Эссе


Вопросы


Стандарты


Программы


Дипломные


Курсовые


Помогалки


Графические

Доступные файлы (22):

Лекция 18 Внезапные выбросы.doc

ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ В МАССИВАХ ПОРОД. ВНЕЗАПНЫЕ ВЫБРОСЫ ПОРОД И ГАЗА.

18. 1. Общие положения.

Как и горные удары, внезапные выбросы пород и газа также являются динамическими проявлениями горного давления, которые могут быть классифицированы как газодинамические явления.

Сущность их состоит во внезапном отделении от забоя пород и их дроблении при одновременном выделении значительных количеств газа. Потоком газа, выделяемого при выбросе, порода или полезное ископаемое отбрасывается от забоя, а в массиве впереди забоя возникает полость, заполненная большей частью раздробленным материалом. Продолжительность процесса внезапного выброса составляет обычно от долей до нескольких секунд; в отдельных случаях она может достигать нескольких минут.

Таким образом, внезапный выброс можно определить как явление быстрого разрушения некоторого призабойного участке массива, сопровождающегося интенсивным дроблением и измельчением разрушаемой породы и отбрасыванием её в выработку с одновременным выделением значительных количеств газа.


  • образование мелко дробленной породы, выбрасываемой на большие расстояния от забоя;

  • образование языкообразной полости, заполненной дробленной породой;

  • большое количество выделяемого при выбросе газа;

  • относительно небольшое, по сравнению с горными ударами, повреждение крепи и пород вне пределов полости выброса.

Основными газами, выделяемыми при внезапных выбросах, являются метан, углекислый газ и азот. В одних случаях выделяется преимущественно какой-либо один из этих газов, в других - их смесь.

Полости, образуемые впереди забоя в результате внезапного выброса, бывают разнообразной формы, чаще всего удлиненные груше- или кармановидные, но иногда близкие к сферической, разветвленные, сложной и неправильной конфигурации. Как правило, горловина полости бывает значительно более узкой, чем поперечный размер центральной ее части.

^ Силу или масштаб внезапного выброса оценивают по поперечным размерам и объёму образуемых полостей, количеству выброшенной породы в тоннах и количеству выделенного газа в кубических метрах. Кроме того, часто устанавливают коэффициент газовыделения, представляющий собой отношение количества газа в кубических метрах, выделившегося при выбросе, к количеству раздробленного и выброшенного породного материала в тоннах

С ростом масштаба выброса коэффициент газовыделения возрастает

Представляет интерес также интенсивность внезапного выброса по породе или по газу, т. е. отношение количества выброшенного материала или выделившегося газа к длительности процесса выброса

По характеру проявления различают концентрированные и рассеянные внезапные выбросы.

Концентрированные выбросы проявляются в пределах шахтного поля или разрабатываемого пласта в той или иной степени систематично, на более или менее постоянных расстояниях друг от друга по мере проведения выработок. Эти расстояния называют в таком случае шагом выбросов.

Рассеянные выбросы проявляются неравномерно по площади шахтного поля или по простиранию пласта.

Число выбросов на данной шахте или руднике, либо в течение года, либо приходящееся на 1 млн. т добытого полезного ископаемого, либо на 100 000 м 3 отработанной площади называют частотой внезапных выбросов.

18.2. Проявление внезапных выбросов при разработке полезных ископаемых.

Первые сведения о внезапных выбросах относятся к 30-м годам XVIII в. Внезапный выброс угля и газа произошел в шахте “Исаак” бассейна Луары во Франции. С середины XVIII в начались внезапные выбросы на каменноугольных шахтах Бельгии, затем они стали проявляться в Рурском и Нижнесилезском бассейнах в Германии, бассейне Южного Уэльса в Англии, в Венгрии, Канаде. Сильный выброс, который привел к катастрофическим последствиям произошел в 1879 г в шахте “Аграпп” в Бельгии: было выброшено 420 т угля и 2000 м 3 метана. При этом погиб 121 человек. Этот случай привлек к проблеме внезапных выбросов серьезное внимание.

Еще более сильный выброс произошел в 1904 г на шахте “Мориссей” в Британской Колумбии, количество выброшенного угля составило 3500 т, количество метана 700 000 м 3 .

По мере перехода к разработке более глубоких горизонтов частота и сила внезапных выбросов повсеместно возрастали.

Первый внезапный выброс в России произошел в Донецком бассейне в 1906 г. на шахте “Новая Смолянка” в пласте “Смоляниновский” на глубине 711 м.

В настоящее время в странах бывшего СССР внезапные выбросы происходят во многих горнодобывающих бассейнах и районах, в угле и во вмещающих породах в Донбассе, Кузбассе, Карагандинском и Печорском бассейнах, на угольных месторождениях Урала, в карналлитовых и сильвинитовых пластах калиевых и магниевых солей Старобинского и Верхнекамского месторождений.

Проявляются внезапные выбросы в разнообразных условиях и формах.

В качестве основных разновидностей этих газодинамических явлений можно выделить:

— собственно внезапные выбросы полезного ископаемого (угля, соли) и газа или вмещающих горных пород и газа при проведении выработок по полезному ископаемому или по породе, либо при ведении очистных работ;

— внезапные выбросы при вскрытии угольных пластов, соляных залежей или выбросоопасных породных слоев;

— выбросы полезного ископаемого или породы и газа при взрывной отбойке;

— внезапные высыпания с повышенным газовыделением;

— внезапные отжимы, сопровождающиеся газовыделением;

— прорыв газа в горные выработки (обычно из подошвы выработки, пройденной по полезному ископаемому).

Характерные особенности этих явлений показаны на конкретных примерах (рис.18.1).

Рис. 18.1. Основные разновидности внезапных выбро-сов.

а - внезапный выброс угля и газа в забое откаточного штрека с образованием грушевидной полос-ти (Донбасс, шахта № 8, пласт “Куцый”); б - внезапный выброс песчаника при проходке квер-шлага (Донбасс, шахта “Щеглов-ка-Глубокая”); в - внезапные выбросы калийной соли и газа при проходке штрека (ФРГ, шахта “Хатторф”); г - внезапный выброс угля и газа в очистном забое с образованием щелевидной полос-ти (Донбасс, шахта № 17-17 бис, пласт “Смоляниновский”); д - последовательные выбросы угля и газа в очистном забое (Донбасс, шахта № 8, пласт “Мазурка”); е - внезапное высыпание с повышенным газовыделением в откаточном штреке (Донбасс, шахта № 8, пласт “Куцый”); ж - внезапный от-жим угля в забое разрезной печи (Донбасс, шахта № 17 17 бис, пласт “Смоляниновский”).

1 - полости, образовавшиеся в массиве в результате внезапных выбросов породы или полезного ископаемого; 2 - раздавленный уголь или порода; 3 - выброшенный уголь или порода; 4 - трещины в кровле; 5 - буровая машина с дистанционным управлением; 6 - положение забоя до выброса.

Обычно выбросоопасной является не вся толща песчаника, а ее отдельные слои. Выброшенная порода представляет собой в основной массе мелкие пластины размером 3 - 5 см и толщиной до 3 мм, либо гранулированные частицы породы и песок вперемешку с такими пластинами.

Во многих случаях внезапные выбросы происходят после динамического воздействия, осуществляемого при взрывных работах, однако замечено, что сила выброса непосредственно не связана с массой заряда ВВ.

Внезапные выбросы часто происходят и в очистных забоях угольных шахт. При этом выброс может захватывать пласт как на всю его мощность, так и лишь отдельные пачки угля. Полости выбросов могут иметь как грушевидную, так и щелевидную форму.

В ряде случаев вслед за первым выбросом происходят один или несколько последующих, иногда из ранее образованной полости.

Для пластов крутого падения весьма характерны явления внезапного высыпания раздробленного угля, сопровождающиеся значительным газовыделением, но проходящие более спокойно, без динамизма, который свойствен внезапным выбросам. При этом внезапным высыпаниям свойственна кармановидная форма полостей.

Известны случаи перехода внезапных высыпаний во внезапные выбросы газа и угля.

Относительно спокойно и при меньшей степени дробления полезного ископаемого или пород протекают внезапные отжимы. Для подобных явлений характерно внезапное перемещение сплошной массы угля на 2 - 3 м от забоя при незначительном измельчении и небольшом газовыделении. На рис. 18.1ж показан пример внезапного отжима по пласту “Смоляниновский” на шахте № 17-17 бис в Донбассе.

18.3. Условия возникновения внезапных выбросов

и представления об их механизме.

Условия возникновения внезапных выбросов крайне многообразны. В качестве общих тенденций можно отметить, что опасность проявления внезапных выбросов, их частота и сила возрастают с увеличением глубины горных работ и давления газа, угла падения пород и мощности разрабатываемых пластов и залежей, а также при приближении горных работ к тектоническим нарушениям.

Сила внезапных выбросов в очистных выработках обычно бывает большей, чем в подготовительных. Но наибольшую силу имеют выбросы, происходящие при вскрытии выбросоопасных пластов или залежей шахтными стволами и квершлагами.

Отмечено, что внезапные выбросы с участием углекислого газа, как правило, превосходят по силе выбросы с участием метана. В то же время между давлением газа в пласте или слое породы и его опасностью по внезапным выбросам нет непосредственной связи. Так, угольные пласты с давлением газа 25—30 кгс/см 2 не давали внезапных выбросов, тогда как на пластах с давлением газа 2—3 кгс/см 2 выбросы происходили.

В подавляющем большинстве случаев развитие внезапных выбросов связано с непосредственным механическим воздействием на полезное ископаемое или породу: производством взрывных работ, воздействием на забой добычного механизма или инструмента. При этом с увеличением степени воздействия опасность выброса возрастает.

Обычно выбросы происходят через несколько секунд после динамического воздействия на забой. Однако случаются и “запоздалые” выбросы, происходящие через более длительные промежутки времени после динамического воздействия, от нескольких минут до нескольких часов. В отдельных случаях выбросы происходят и при отсутствии работ в забое или даже при длительной его остановке.

Относительно причин и вероятного механизма внезапных выбросов высказывались различные точки зрения. Крайние из них состоят в том, что одни исследователи приписывают главенствующую роль газовому фактору (давлению газов, заключенных в порах выбросоопасных пород), другие - горному давлению.

В результате обобщения обширных наблюдений за внезапными выбросами в различных горно-геологических условиях, а также проведения экспериментальных и теоретических исследований профессор В. В. Ходот выдвинул, обосновал и развил энергетическую теорию внезапных выбросов, получившую широкое признание специалистов.

Согласно этой теории внезапный выброс является следствием скачкообразного изменения напряженного состояния участка массива полезного ископаемого или вмещающей горной породы. Такое изменение может произойти в результате действия различных факторов:

- механического внедрения в массив рабочего органа,

- подхода выработки к тектоническому нарушению,

- вскрытия забоем выработки пласта или слоя, резко отличного по своим деформационным и прочностным характеристикам,

- динамической нагрузки в призабойной части массива в связи с обрушением зависших горных пород и пр.

Выброс начинается с частичного разрушения и растрескивания участка массива. Поскольку полезное ископаемое или порода насыщены газом, находящимся под давлением, из трещин, развивающихся при частичном разрушении, происходит быстрое выделение газа. Устремляясь в сторону пониженного давления и расширяясь, газ увеличивает разрушение участка массива и развитие трещин. В свою очередь, этот процесс способствует десорбции газа из макро- и микропор.

С точки зрения прогнозных оценок условий возникновения внезапных выбросов перспективной является теория выбросов, созданная профессором И. М. Петуховым и докт. физ.-мат. наук А. М. Линьковым. Согласно этой теории условия возникновения выброса определяются преимущественно силами, вызывающими рост трещин и отделение частиц от массива, независимо от энергии источников этих сил, а характер и последствия выброса — общим энергетическим балансом системы.

Процесс внезапного выброса связан как с действием горного давления, т. е. с переходом потенциальной упругой энергии сжатия горных пород, находящихся в условиях предельного напряженного состояния, в кинетическую энергию хрупкого разрушения, так и с дробящим и метательным действием расширяющихся газов, насыщавших под давлением разрушаемый участок массива.

Вместе с тем, как показал профессор А. Э. Петросян, на выбросоопасность влияет не только давление газа, но и количество свободного газа, находящегося под этим давлением.

Сравнение динамических явлений разрушения участков массива — горных ударов и внезапных выбросов — показывает, что они имеют ряд общих черт - нахождение участка массива накануне разрушения в напряженном состоянии, близком к предельному; лавинообразный характер развития процесса разрушения; хрупкая форма разрушения горной породы при горном ударе и внезапном выбросе.

В то же время эти явления имеют и существенные различия. Характерно, что горные удары на угольных месторождениях приурочены к прочным углям, а внезапные выбросы—преимущественно к непрочным. Ширина зоны хрупкого разрушения при внезапных выбросах больше, чем при горных ударах. Этим обусловлен разрыв во времени между началом хрупкого разрушения участка массива и выбросом разрушенной массы в выработку, т е. значительно большая длительность внезапных выбросов по сравнению с горными ударами. При выбросе происходит значительно более интенсивный и далекий вынос измельченной массы, чем при ударе. Дальность отброса потока измельченного угля, взвешенного в газе, достигает сотен метров.

В то же время при горных ударах происходят более сильные повреждения выработок, чем при выбросах, поскольку разрушающие напряжения в первом случае более высоки. Об этом свидетельствует более высокий частотный спектр упругих колебаний массива при горных ударах, чем при внезапных выбросах.

Читайте также: