автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Геомеханические основы прогноза и снижения выбросоопасности угольных пластов на больших глубинах

Министерство топлива и энергетики Российской Федерации и л по -5Г61 Российская академия наук

Институт горного дела им. А.А.Скочинского

На правах рукописи

ФЕЙТ Герман Николаевич

УДК 622.831.32:622.02

ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОГНОЗА И СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСООПАСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ

Специальность 05. ¡5. i i -"Фкч»"«»«» процесс».» гарного произволе гаа"

Сп^'ма «ькость 05.26.0'* -пО"раня труда и попарная бе^пасии^гь"

Днсссрт ацнк на соискание ученой степени доктора технических наук

:: ферм;; 'Ш1"1Ч> Д(Р' г.п::

Москва 1994

1 Работа выполнена в Институте горного дела им. А.А.Скочинского.

Официальные оппоненты:

Академик РАЕН, проф., докт.техн.наук И.М.Петухов, проф;, докт.техн.наук Г.А.Катков,

член-корр. РАЕН, проф.. докт.техн.наук С.А.Ярунин.

Ведущее предприятие - Восточный научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности (ВостНИИ). /<-7

Диссертация разослана "у ^ * / / 1994 г.

Защита диссертации состоится "аЫ) ' /1994 г. в ч на заседании специализированного совета

Д. 135.05.02 по присуждению ученых степеней Института горного дела имени А.А.Скочинского по адресу: 140004, г.Люберцы Московской области.

С диссертацией можно ознакомиться в секретариате ученого совета Института горного дела им.А.А.Скочинского.

Отзывы в двух экземплярах просим направлять по адресу: 140004, г.Люберцы Московской области, ИГД им.А.А.Скочинского.

Ученый секретарь специализированного совета

проф., докт.техн.наук Н.Ф.Кусов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Перспективы ползем пой разработки угольных месторождений и технико-экономические показатели гаагт в значительной мере определяются эфЛхгк ти иностмо и безопасностью отработки участков месторождений на глубоких горизонтах, доля добычи из которых постоянно растет. При переходе на более глубокие горизонты разработки ухудшаются горногеологические условия работы шахт, возрастает риск газодинамических явлений, аызывающих тяжелый травматизм горнорабочих, снижается производительность труда, повышаются издержки производства. Уменьшается также надежность и эффективность применяемых способов прогноза и предотвращения гзжгртамичсских авлеиий, "то сяччано с изменением гео-мчл.чническсй обеган'таки п горнем масхипс и »K"vvT;<v<v«mv4 изу-'îiiH'd'v,-;¡.¡о -5зкстамер!!'чгис>'< и !|риг"\т измснеиич nv6}.c4->\-mac-Ч'Н,ГН I' |!ОСЮН ГЛубиЬЬ«.

Качосгясипл 's.ч 1.<с(=ч>./и><с'.•• условия разработ»;н ivtvookw?

Ч'аЛЛ ■ ГГ/;*'; ¡р.'Гу i^j V Г, V; ïî- П i г/« ЛГ»* .'Mtiit-

;î<-'i:!î!' и m'îkï-îtïii;., д.| (>,'. I л ух !:uo/V п>" >i Î сс.м с i i j •! iec к<к r inù'iiiiir \ гол.'.ш \ n. i/icroi: i ;. ■ ч-6.ïîîс ч;м'>"И|*:; я н/иг^б-. и'шмх i;6yt.."."!Sj'iii:!.i/wi ¡ь но;:'и\> пдучноп» п,и.хола к

сбиа.сзаьил) и развитию методов пропюза и снижения выбросо-опасности угольных пллсто1ч. ляч«гп\>»лгтуаг«л/~<т «»т "t'^c.v^t

: _ . ' ; ' п ; ¡т, ■ < с Г ■ ti к ■ ; > > tu* - ; - г ; ■ h г• • ii и л « • > см iJ ч

!'.• I. М-i'h''t ■ ' Л y ШШСЮа С (лл-ГОМ

глубины залегания и установления закономерностей формирования выбросоопасных ситуаций при совместном действии природных и техногенных фактопоп нрппгпрпгтп^нип » ??бсттк

Гч}(Н!1.!\ лырлбот 0!С.

Диссертация обобтает результат» научно-исслсдсиатель-пем* рябгт (№ TTC. рсгпстрдщш 7403967!, 76049-191,'81084166, Я6008597, 91004-1039), наполненных при непосредственном упаеиш к под руководством автора в Институте горного дела им.

А. А.Скочинского в 1971 -1993 гг. в соответствии с целевыми комп-лсксными программами ГКНТ и Академии наук СССР (проблема 0.05.05.), отраслевыми планами НИР б. Минуглепрома СССР и Российской угольной компании "Росуголь".

Цель диссертационной работы состоит в разработке геомеханических основ и способов прогноза и снижения выбросоопас-ности угольных пластов для условий освоения месторождении на больших глубинах.

Основная идея работы заключается в установлении геомеханических закономерностей возникновения выбросоопасности в массиве и прнзабойных зонах угольньбс пластов под действием природных и техногенных факторов и создании на их основе способов прогноза и снижения выбросоопасности применительно к условиям возрастающих глубин разработки. Задачи исследований:

исследовать прочность»! процесс разрушения газонасыщенных углей в условиях объемного сжатия, моделирующих приза-бойную зону пластов, определить условия перехода ббычных видов разрушения в лавинное самоподдерживающееся при внезапных выбросах;

провести натурные исследования напряженно-деформированного и газодинамического состояния прнзабойных зон выброс оонасных пластов в широком диапазоне горно-геологических условий и глубин разработки;

исследовать изменения гсомсхаиических условий возникновения выбросоопасности о горном массиве с ростом глубины разработки по гсолого-гсофнзическим данным;

разработать критерии и метод оценки влияния способов управления горным давлением на выбросоопасность призабойной зоны угольных пластов в лавах глубоких шахт, разработать гсо-механические основы и параметры применения закладки в качестве способа управления горным давлением, снижающим выбросоопасность угольных пластов;

создать расчетно-экспсриментальные инженерные методы определения степени (категории) выбросоопасности угольных пластов в забое горных выработок с дифференциацией по факторам газа и горного давления, учетом глубины и технологии ведения горных работ, выбором параметров предупреждения внезапных выбросов в зависимости от геомсханических условий, свойств угольных пластов н типов газодинамических явлений.

Методы исследований. В работе применен комплексный метод исследований, включающий экспериментальное изучение физико-механических свойств углей выбросоопаашх пластов, натурные инструментальные исследования напряженного и газодинамического состояния пыбресоопаснмх и неопасных пластов, физическое моделирование процессов разрушения угля при совместном действии газа и горного давления на стадиях подготовки г. возникновения внезапных выбросов, анализ и гсоме-ханнческую интерпретацию геолого-геофизических данных, характеризующих свойства массива на различных глубинах, апро-б.?.'Д"'о и внедрение разработаштх рекомендаций па шахтах. Ис-псль^олались метод.ч гсомехзннкн, геофизики, теории разрушения, размерностей, вероятности и математической статистики.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Разработка и развитие способов прогноза и снижения выбросоопасности угольных пластов для усложняющихся условий постоянно увеличивающихся глубин отработки осуществляется на основе получения и синтеза экспериментальных данных об особенностях напряженно'! :) -л газозииами11е>>:аго сссга«имя при-злбойиых зон яыбросоопасьых угольн их пласюи, физическою моделирования процессов разрушения угля на стадиях моаготозки и зозпикпоиення .•¡•лезапных ;н.'бросов, анализа нзменемня геоме-ханнческих условий ппо«н,'.ения выбросоопасности с ростом глубин поданном (одычоразмедки [3-5, 8, 18, 22, 23, 27, 42, 47

2. Прочность и характер разрушения газонасьчттного угли * призабойной зоне пластуя определяется значенными действу-тощнх максимальны:-' (Т^ « минимальных 03 главна:-; напряжений, их соотношением О^/а, и давлением газа в пласте. Под дей-г>япеч .члклен!!^ )лап '.'(¡-¡-.б г.|:сд-Л!..;и>; крути ь'дпп -/'еннй "Лора едг-игаетел ? сюрону умл«г;>»л»чя напряжений на сл';а пшу, приблизительно равную давлению газа, что соответствует снижению прочности, особенно заметному в области невысоких значений напряжений сжатия. При увеличении напряжений бокового сжатия Оз 13-18 МП а происходит переход от хрупкого или хрупко-пластического вида разрушения угля к пластическому сдвигом. Возможно управление процессом разрушения угля в призабойной зоне пласта за счет регулирования соотношения Ох/сг3. При поддержании соотношения эффективных (с учетом

давления газа) напряжений С - О^'/ст/ ^ 0,30 разрушения не происходит [ 1, 3, 4, 31, 39 13. Особенностью напряженного и газодинамического состояния угольных пластов в выбросоопасных зонах является уменьшение глубины области разгрузки и дегазации, возрастание коэффициента концентрации напряжений, градиента концентрации напряжений и давления газа в краевой части пластов, усиление скачкообразного характера перераспределения напряжений, возникновение нескольких максимумов концентрации напряжений. Характер изменения напряженного состояния пласта предопределяет аналогичный характер изменения его газодинамического состояния (изменения давления газа, скорости газовыделения, глубины зоны дегазации) {3-5, 8, 10, 26, 30, 40, 41).

4. Условия возникновения лавинного самоподдерживающегося разрушения угля при внезапных выбросах количественно определяются критерием, представляемым в виде суммы двух безразмерных соотношений между давлением газа, минимальными и максимальными напряжениями сжатия, пределами прочности угля на разрыв и сжатие 13, 4, 23, 27, 31 ].

5. Зональность в'ыбросоопасности, связанная с неоднородностью свойств, строения и особенностями природного поля напряжений угольных пластов наблюдается по глубине их залегания. Изменение потенциальной выбросоопасности по глубине в угольных пластах может иметь волнообразный характер, что связано с образованием зон разгрузки и разупрочнения в природном поле напряжений в горном массиве вблизи земной поверхности. При увеличении глубины разработки изменяются соотношения энергии газа н горного давления в угольных пластах, что влияет ка изменение характера выбросоопасности и типа газодинамических явлений (42, 44, 45, 49].

6. Внезапные выбросы угля и газа происходят во время подвигания забоя горной выработки в результате потери устойчивости краевой части пласта, сопровождаемой переходом в лавинное разрушение. Условия потери устойчивости и возникновения лавинного разрушения количественно оцениваются обобщенным критерием выбросоопасности угольных пластов, пред-станлясмым в виде трех безразмерных комплексов физических величин, характеризующих давление газа, напряжения сжатия в пласте, пределы прочности угля на сжатие и разрыв, глубину

выемки (сменное подвигание забоя) и глубину зоны разгрузки в краевой части пласта. Сумма двух первых безразмерных комплексов критёрй¥характери зу е v у ровёнь напря жени й и да «лен и и газа, соотнесенные с прочностью (потенциальную выбросоонас-ность, возможность лавинного разрушения), третий комплекс (соотношение глубины выемки и глубины зоны разгрузки* - устойчивость призабойной части пласта в самый выброооопасный момент: во время подвиганиа забоя (выемки). Предложенный обобщенный критерий учитывает совместнее действие основных природных и техногенных факторов, влияющих на формирование выбросоопасной ситуации в действующих забоях горных выработок, и позволяет не только оценивать степень аыб|юсоонасносг1и. но также рассчитывать безопасные технологические параметры ведения горных работ и параметры противовыбросных мероприятий [4, 25, 27, 29, 31, 34, 45, 48-50, 56].

7. Применение полной закладки выработанного пространства с определенными технологическими параметрами (плотность, шаг, отставание от забоя) в качестве способа управления горным давлением снижает выбросоопасность (частоту выбросов) а 10-25 и более раз. Снижение, иибросоопдскпсти происходит па сче? увеличения прг.тя-хсшост« зоны р-пгрузктг и дегазтн:«» .в прпзлбойно« часть' пласта и исключенья гкчтрекгалншлх разгрузок « прнгрузок кревчн ¡А. 12, 13, 17,18, 3-1-37, -10. 43, 49, 52 1."

S. Услг-пн9 безопдгтчггн горньх работ, достигаемые пзме-¡¡ени'-н »апрпженяоге ■ * s^vvr-waMti'it-CKom сссточния угочь:«мх плзекп» локальннни и рс^'ональнмм» способами, a также приме-пенчем соотг.етствуюшсй технологии всдсьнч горных работ, могут (¡u-ih определен« рз:«етны»«и методам» го разриботачичм геомсхажтчесюш критериям [4, 27, 34, 48-50J.

Достоверность научных положений подтверждается обос-

HCM'.pi'OCT'îA' фар'.'.Кр-. .! КыЗроС'^'П.-'-гч: -'У», г;'7'ур-

ных и лабораторных экспериментов, выполненных для широкого диапазона горно-геологических условий и глубин разработки вы-

бросоопаснпх пластоп, удовлетворительной сходимостью расчетных v фактических результатов, полученных при опчтнопро-ш-шмешшх непчтанн'лх ц внедрении методов оценки пыбросо-опасностп п предложенных параметров применения закладки в

качестве способа управления горным давлением, снижающего вы-бросоопасность.

Научная новизна работы.

1. Разработана комплексная методика геомеханического обоснования способов прогноза и снижения выбросоопасности угольных пластов при освоении месторождений на больших глубинах на основе синтеза натурных экспериментальных данных о напряженном и газодинамическом состоянии призабойных зон выбросоопасных пластов, результатов физического моделирования процессов разрушения газонасыщеиного угля на стадии подготовки и возникновения внезапных выбросов, оценки изменения гсомсханических условий проявления выбросоопасности с ростом глубины разработки по геолого-геофизическим данным [1-6,8,25,421.

2. Установлены количественные зависимости прочности и характера разрушения газонасыщеиного угля в объемном нерав-нокомпонентном напряженном состоянии, моделирующем приза-бойную зону пласта, от величины действующих максимального и минимального главных напряжений, их соотношения и давления газа в пласте. Дана количественная оценка влияния давления газа и минимального главного напряжения на прочность угля в прнза-бойной зоне [1, 3, 4, 29, 39).

3. Определены условия перехода обычных видов разрушения в лавинное самоподдерживающееся, происходящее при внезапных выбросах, определяемые как функция безразмерных соотношений действующего давления газа в пласте, главных максимальных и минимальных напряжений и прочности угля на сжатие и разрыв [3, 4, 23, 29 ].

4. Установлена связь выбросоопасности с глубиной зоны разгрузки (спада напряжений и дегазации), а также градиентом напряжений в краевой части пластов впереди забоя, используемая при разработке способов предупреждения или снижения выбросоопасности (4, 8, 17, 25 ].

5. Выявлена зональная закономерность изменения потенциальной энергии и выбросоопасности угольных пластов по глубине залегания, установлено изменение соотношения энергии газа и горного давления (типа газодинамических явлений) с ростом глубины разработки, позволяющие повышать надежность способов прогноза и предупреждения газодинамических явлений при разработке на больших глубинах [42,44, 45, 49 ].

6. Разработана гсомеханичсская модель, обобщенный критерий и метод, дающие возможность прогнозировать степень выбросоопасности пластов, а также рассчитывать техно-

логические параметры способов предупреждения внезапных выбросов, обеспечивающие безопасное ведение горных работ [4, 5, 6,25,29,48,49].

7. Разработан метод определения вероятное™ внезапных выбросов в зависимости от геомеханическчх характеристик угольных пластов [4, 5, 6, 25, 49 ].

Практическая значимость работы. Установленные закономерности и количественные зависимости выбросоопасности угольных пластов от их геомеханических свойств, особенностей напряженного и газодинамического состояния и характера разрушения газонасыщенных углей позволили предложить новые геомеханические критерии прогноза, контроля и управления чнбро-сгюпнсностью пластов, обосновать и разработчик:

метод оценки влияния способов управления горным давлением на пибросоопасность прнзабойной зоны угольных пластов в лавах глубоких шахт; метод прогнозной оценки изменения энергии и потенциальной выбросоопасности угольных пластов с ростом глубины разработки;

способ определения категорий выбросоопасности угольных шахтопластов с учетом глубины разработки для выбора и оптимизации применения протквовыбросных мероприятий;

рг.чочекдаггии по определению области применения способе.- предо?гчрлигеи'г^ ¡ме.1л;п;;/ч ¡•¡■¡бро:оя г» завиашисги и> ис-.щну-ма мХ дейг{»н.и и сиойстугольны* п-пстов, рлечетно-зке-гтсрнментальн^с методы и номограммы определении :>ф-{*»»-. спосо'о" |фе.Ч'»'прям»><*нвч п снижении пы-

броссмнасност и;

ре ко;.? с нэп) г и;; по прьмежмппо гидравлической закладки зъряботанного пространства в Центральном районе Донбасса в качестве способа управления горный давлением, снижающего ии-бросоопасность угольных пластов в 10-25 и более раз.

Реализация речудьтаток рлСуны. Научные результаты, разработанные мэтодк и практически.; рекомендации прошли промышленные испытания, рекомендованы к внедрению и реализованы в отраслевых нормативных документах, утвержденных Минуглепромом СССР: "Инструкции по безопасному ведению горных работ на пластах, склонных к внезапным выбросам угля, породы и газа", М., 1989, 191 с. (разделы 1.6.9, 2.3.15, 2,3.15, 2.4.25, 3.2.1); "Технологических схемах разработки пластов, опасных по внезапным выбросам", М., 1982, 256 с. (с. 169, 171, 246, 247, схема 2.9, табл. 4.3); "Технологических схемах возве-

дения закладочных массивов, обеспечивающих эффективную отработку запасов под охраняемыми объектами Центрального района Донбасса", ч. 1 и II, М., 1983, 84 е., 79 с. (ч.1, с.81-82, ч, II, с. 4-8, 14, 16-17).

Рекомендации по предупреждению внезапных выбросов и снижению выбросоопасности угольных пластов с учетом геомеханических процессов использованы также в "Концепции создания высокопроизводительной, экологически чистой автоматизированной угольной шахты глубокого заложения, одобренной ГКНТ СССР (1990 г.), а метод определения степени выбросоопасности угольных пластов - при выполнении межотраслевой программы "Кливаж" в Донбассе (1979-1984 гг.).

В результате применения в 11 лавах шахты "Красный Октябрь" ПО "Орджоникидзеуголь" гидравлической закладки с рекомендованными в работе параметрами вместо других способов управления горным давлением выбросоопасность угольных пластов была снижена в 20-35 раз, а экономический эффект за счет снижения частоты выбросов н отмены противовыбросных мероприятий в неопасных зонах составил около 3 млн.руб. (в ценах до 1990 г.). Разработанный автором экспресс-метод определения прочностных свойств углей в забоях горных выработок применяется при прогнозе выбросоопасности на всех шахтах, разрабатывающих угольные пласты, опасные и угрожаемые по внезапным выбросам, в Кузнецком, Донецком, Карагандинском бассейнах и на Воркутском месторождении.

Научные и практические результаты работы используются в учебном курсе МГГУ "Управление состоянием массива горных пород" для студентов специальности 09.02.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались, обсуждались н получили одобрение на Ученом совете ИГД им. А.А.Скочннского (1980,1985,1990), заседаниях Центральной комиссии по внезапным выбросам (1986, 1991), НТС Мннугле-прома СССР (1987), на всесоюзных н международных конференциях по механике горных пород (Апатиты, 1970; Днепропетровск, 1982; Бишкек, 1989; Москва, 1993), Всесоюзной конференции по физике горных пород и процессов (Москва, 1982), всесоюзных конференциях и семинарах по проблеме борьбы с внезапными выбросами (Донецк, 1970; Макеевка, 1983; Москва, 1988), всесоюзных семинарах по измерению напряжений в массиве горных пород (Новосибирск, 1975,1977), Всесоюзной научной школе "Деформирование и разрушение материалов с де-

Фектами и динамические явления в горных породах и выработках" (Симферополь, 1985, 1987, 1990).

Результаты работы на разных этапах ее выполнения экспонировались на ВДНХ СССР (две бронзовые медали) и удостоены Премии имени А.А.Скочинского (1990 г.).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Основополагающие исследования пс проблеме борьбы с внезапными выбросами угля и газа в тахтах принадлежат

A.А.Скочинскому, И.В.Боброву, И.М.Петухову, О.И.Чернову,

B.В.Ходоту, С. А.Христиаиовичу. Значительный вклад в изучение природы выбрссоопаснести, научное обоснование и разработку методов прогноза и предупреждения внезапных выбросов внесли исследования А.Т.Айруни, А.Д.Алексееза, М.С.Анциферова, М.И.Большинского, А.А.Борисенко, Л.А.Вайнштенна, Ю.Ф.Ва-сгочкова, В.С.Вереди, Н.Е.Волошина, Э.И.Гайко, Г.Н.Гритгко, Н.Е.Забнганло, А.А.Зор»ша, В.С..Быкова, БЛЛ.Иллнова, Й.С.Ипа-яога, Л.Ф.Клебанока, Б.П.Кузнецова, С.В.Кузнецова, Н.Ф.Кусо-г»а, А.М..Л ннькова, В.ВЛукйгыдеа, П.И.Мурашова, О.С.Маеьсксто,

C.З.Мкрера, В.ИЛ П.В.Ножкина, А.Е.Ольховнченко, Л.З.Пет посапа, Н.МЛ!Л.П.Пузыревл, С,Л.р!,>онд. Е.С.Розанцера, И.В.Сергеспа, Г.Я.Стсг;а>;оан.чл, И Л.Эггига-ерл, М.О.Яновгк&й, С.Л.Я{!,\ьина, Д.Гшнтеря, Л.Сиртоша, А.Харг-рньса и др.

Псрсасктыьаым ашсш решение проблемы борьбы с внезапными выбросами, горными ударами и другими динамическими

каленялм?! с привлечением »ипамч! геомехлнш:и, разлита:;но-: с ¡не;л>:д?>-ее гремя п рабя.ах ЁЛМисм^с'ша, ИЛ»1Л!ечу;.ояч, В.Н.Вылепхашша, П.В.Егорова, А.Н.Зорнна, С.В.Кузнецова, М.В.Курлени, В.И.Мурашева, В.Н.Родионова и др.

Однако, несмотря на имеющиеся достижения в области теории и практики борьбы с внезапными иыбросами п шахтах, ряд принципиально пажпых вопросоз решения згой ироблемм, в-особенности для условий увеличивающихся глубин разработки, ие решен или требует дальнейшего развития.

Важнейшим нерешенным вопросом ¿злается научно-сбос-кованное прогнозирование изменения степени и характера выбро-

соопасности угольных пластов с возрастанием глубины разработки. Не разработаны количественные критерии и инженерные методы определения степени выбросоопасности угольных пластов с дифференциацией по природным и технологическим факторам, обеспечивающие выбор эффективных параметров и способов предупреждения внезапных выбросов, адекватных геомеханическим условиям разработки. Недостаточно изучены возможности повышения безопасности ведения горных работ в сложных горно-геологических условиях на основе использования геомеханических закономерностей формирования выбросоопасности в массиве и призабойных зонах пластов.

Перечисленные проблемы не решены и в мировой горной практике. Их решению посвящена настоящая работа.

2. ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРОЯВЛЕНИЯ ВЫБРОСООПАСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ В МАССИВЕ И ПРИЗАБОЙНЫХ ЗОНАХ НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ РАЗРАБОТКИ

Исследование прочности и процесса разрушения газонасы-щеннйх углей в условиях объемного сжатия, моделирующих призабойную зону пластов на больших глубинах разработки [3,4, 29, 31-33, 39 ].

Определение критериев прочности и изучение характера разрушения газонасыщенного угля а условиях формирования выброс сюп асы он ситуации в прнзабойной зоне пласта выполнялось на созданной автором экспериментальной установке, позволяющей производить объемное сжатие образца с различными соотношениями главных напряжений «7| >02 —0$) при одновременном его насыщении газом под различным давлением Р. Исследование прочности и характера разрушения углей в условиях трехосного нерапнокомпонентного сжатия с одновременным насыщением метаном под давлением и сохранением его в процессе эксперимента осуществлено впервые.

Применялась следующая методика эксперимента. Образец угля насыщался- метаном при давлении Р и нагружался механическими напряжениями по специальной программе, моделирующей процессы объемного сжатия и разрушения в приза-

бойной зоне пласта. Вначале создавалось объемное гидростатическое сжатие СГ1 = 02 ~СГ3, затем при достижении некоторого его уровня, менявшегося в разных опытах, боковые напряжения °2 =03 поддерживали постоянными, а осевое напряжение 0\ продолжали увеличивать, осуществляя разрушение образца в условиях объемного напряженного состояния,наиболее типичногодля прнзабойной области газоносного пласта: а/ >сг2' — О3', где£/|', а2', О3' - главные эффективные напряжения, определяемые как разность между внешними напряжениями а, приложенными к твердому веществу угля, и внутрипоровым давлением газа Р, т.е. о' ~ 0-тР, здесь т - показатель, зависящий от трешимонато-пористой структуры материала.

Напряжения и давление газа в экспериментах могли изменяться в следующих диапазонах: О3 -0—25 МПа, ах »0—80 МПа, Р -0—5 МПа.

Выполнены эксперименты на 200 образцах угля различной прочности и всех степеней тектонической нарушенное™ (от первой до пятой) из восьми пластов Центрального и Донецко-Маке-евского районов Донбасса. По результатам испытаний построены

огибающие предельны:« кругов напряжений для углей пластов ясех категорий выбросоопасности.

На рис. 1, а показаны огибающие предельных кругоа напряжений для угля П-Ш степени тектонической нарушенное*™ из выбросоопасиого пласта Мазур шахты "Юнком". Огибающая предельных кругов напряжений для угля, насыщенного газом, показана пунктиром, а для легазирорзнноп) - сплошной линией. Круг» Мора построены по средним данник» испытаний 24 образной угля. Из рис. 1,а и полученных нами результатов испытаний следует, что под действием внутрипорового давления газа огибающая предельных кругов напряжений сдвигается в сторону >«.еш.шени« напряжений па величину, приблизительно равную давлению газа Р, приводя к соответствующему уменьшению прочности угля. С учетом этого для газоиасшценнык углей следует пользоваться модифицированным условием прочности (разрушения) Кулона-Напье, которое приобретает ппд

/гд/-Яо+/1((7д-тР),' (2.1)

где СГ9 и Г9 - нормальное и касательное напряжения, действующие в плоскости разрушения; 50 - прочность угля при сдвиге (ко-

к»

4

О 1 \2 ! * 5 В 7 8 9 10 Осевая деформация , мм

Рис I. Экспериментальные графики, характеризующие прочностные свойства и характер разрушения гаэонасыщекных углей а призабойных зонах выбросоопасных пластов:

а - огибающие предельных крутое напряжений Мора для дегазированного угля (1) и угля, насыщенного метаном под давлением Р - 3 МПа (2); б - полные диаграммы 'напряжение - деформация" для угля при разных боковых напряжениях^ и давлении метана Р; 1-0уЧ),р-О; 2 - Р-3; 3 - О3-4, Р-2; 4 - С%-2, Р-0; 5 - О3-9, Р-2;

б - Оу 7, Р-0; 7-03-13, Р-0; 8 - О3-15, Р-2 (значения О3 и Р даны в МПа)

эффициент сцепления); /л - коэффициент внутреннего трения. Для выбросоопасных углей Донбасса (высокая и средняя степень

тектонической наруптенностн) по результатам испытаний принимается ш «1.

Анализ полученных экспериментальных зависимостей (рис. 1 ,а) показывает, что уменьшение прочности газонасыщенного угля особенно заметно в области невысоких значений напряжений сжатия ((?!, О3), т.е. вблизи обнажения угольного пласта горной выработкой или скважиной. Следовательно, в призабой-ной части пласта или в окрестности скважины в момент обнажения новой поверхности (во время выемки или бурения) возможно возникновение такой ситуации, когда при снижении бокового сжатия О3 (а2) до величины, меньшей пнутрипорового давления газа О3 ^ Р, может начаться разрушение угля под действием растягивающих напряжений, вызванных только давлением газа.

Из анализа экспериментально полученных полных диаграмм разрушения углей (рис. 1,6) следует, что при увеличении бокового сжатия О3 происходит переход от хрупкого или хрупко-пластического вида разрушения (характеризуемого высокими модулями спада напряжений цс — <1в\/с1Е\ в запредельной области лефермациА при невысоких значениях О3) к пластическому разрушению (течению). При высоких значениях бокового статна щ > 13—1К МПа запредельные кривые становятся горизо«таль-цчмн (/¡с ~-0), а предел прочносп и (Тс и остаточная прочность <7*

<7[ ~0Г3

совпадают. В этом случае так;;:« си- ~ " —— .

Таким образом, при увеличении исходного тензора напряжений, соответствующего увеличению глубины горных работ, происходит переход от хрупкого или хрупко-пластического к сильиовыраженному пластическому разрушению. Установленная закономерность означает умсныпспке аероятности возиикно-г.е:пш внезапных выбросов на больших глубинах по обычно принимаемой модели формирования выброссспасной ситуации, предполагающей возникновение в призабойной части пласта зоны вертикально ориептпровашшх трещин отрыва, и повышение вероятности возннкпопеппя более мошннх'-газодинамических явлений глубинного типа, происходящих при деформациях сдвига. Преобладание сдангоаого характера разрушения на больших глубинах указывает на необходимость совершенство-

вания ссйсмоакустического прогноза выбросоопасности для этих условий за счет регистрации низкочастотной полосы импульсов.

Полученные данные выявляют также различия в природе склонности угольных пластов к горным ударам и внезапным выбросам угля и газа. Если величина отношения модуля спада //с к модулю упругости Е определяет склонность угольных пластов к хрупкому разрушению в форме горных ударов (для пластов, опасных по горным ударам Цс/Е > 1), то для оценки склонности газоносного угля к хрупкому разрушению значение этого показателя не играет существенной роли, так как уголь пластов, склонных к внезапным выбросам, может деформироваться пластично. Характер и возможность динамических форм разрушения газоносных углей при выбросах определяется в первую очередь поровым давлением газа, которое практически не проявляется в условиях объемного сжатия, но приобретает решающую роль в условиях разгрузки от напряжений, степень которой может быть оценена показателем вида напряженного состояния С**0$/0\.

На базе выполненного цикла экспериментальных исследований установлено следующее важное условие разрушения газонасыщенных углей в зависимости от величины действующих максимального и минимального главных напряжений, их соотношения и давления газа в пласте:

оч — Р

~—- 5 С*-0,30. (2.2)

о1 — и

При значении С > 0,30 разрушения газонасыщенных углей не происходит.

На основе полученного критерия (2.2) может быть сформулирован некоторый общий принцип управления процессом саморазрушения угля. Управление процессом саморазрушения угля при совместном действии напряжений и давления газа в призабой-ной зоне пласта (или в окрестности скважины при бурении) возможно путем поддержания такого соотношения минимального н максимального главных эффективных напряжений, например путем создания противодавления со стороны забоя, при котором не допускается возникновения условий для разрушения {С-0}/0Х' >0,30).

Найденные зависимости могут быть использованы для обоснования противодавления в скважинах, обеспечивающего безопасное бурение скважин повыбросоопасным пластам, и давления

щита на забой, обеспечивающего устойчивость н иевыбрссоопас-нссть прнзабойной части пласта.

Моделирование внезапных выбросов [3, 4, 23, 24, 29, 31,

39].

Для физического моделирования процессо«; разрушения газоносных углей в форме внезапных выбросов при совместном действии мехаиичеекцх напряжений н газа ав-шраы была создана устлног.гз, позволившая насыщать угольный образец или мо-де.ифуюмщй материал газон иоддавлением до ЮМПа и создавать прессом механическую нагрузку сжатия до 80 МПа. Условия раз-оутопцо яяв ИЯСНПУ^ЧЧСГО МвТЗПОМ ПОД ДЗЗЛКЖСГ.! Я ПОДЕСрГПу-

•шт мечи"ччгс!гому сжятим образца ссздаяались путей кпю-ск-ного открытия специальным устройством отверстия в боковой стенке герметичной камеры, имитировавшего образование свободной поверхности п быстрое снятие механической нагрузки (Х3 зо время подпиганиа забоя. Для определенна парамет|юп разрушения образца применяли регистрирующую аппаратуру, фиксировавшую механические нагрузки, давление газа и смещения в образце.

Н гп-:гг-п^г паГ>~ТрО*, л:. ::1:.!Г.:ат.:икг!!» ""И

•^•"П. р.< .¡;>У .! и ч !« ■р.рм- ><м(ф« г.-а, Т.-;. •

¡;_; :'Ь ;к ■ •¡¡>.--"),'<Р!ше<.!, : * ••М.и'рш > ногёршо» I) ¡МДУ£-

' ,¡'¿0/1 л.! С>.,ЧЧ'»«. ИСГлеМЧНЯиСЬ Д,'««.»

.а ь . уд ; 1* V--",«,.; «п- =ГА ¡ч/^* 0\, КЙ-

!:;■■>.■'ищ'К'.'-.С'ичс О'ч, предель ¡¡¡;01<-у) ¡г.- «а {исг«*.чешг<: Д, и гяаг««е коэффициент м:»р.«стсотк угля п^. !1сследоваш::-г проводшшсь на природ*» м.ч уг,'»к\ н брякетпч в широком диапазоне напряженна, дарении метана, прочностных и газодинамических свойств углей, харак-! :,-гп'1 с-- рг.-л •»>«• нагч'п о=>. Витхлнеиобошдд 30 ».«с>д1 я». -?',<" опытов,

На основе проведенных исследований и определения безразмерных комплексов Рпц/Яр и 0\/К-сш. найдено следующее критериальное условие лавинного разрушения газоносных углей п виде внезапного выброса:

Рт0 — 1041 О) --¿-+«2-^2:1, . (2.3)

кр сж

где ¿г-! н &), - экспериментальные козффициетты, зависящие от

скорости разгрузки свободной поверхности и структуры угля; для

выбросоопасного угля и брикетов и скорости разгрузки выше 1 м/с а(-0,33, «2-0,022; о3 (£-коэффициент бокового распора); в момент образования новой свободной поверхности 0"3 -*0.

Предлагаемый критерий оценивает основные особенности разрушения при выбросах. Первый безразмерный комплекс характеризует условие разрушения отрывом, второй - сдвигом; учтено совместное участие газа и горного давления в процессе разрушения. Кроме того, критерий получен в безразмерном виде, что позволяет использовать его для оценки условий разрушения в форме выброса в массиве.

Хорошее совпадение средних скоростей разрушения угля при внезапных выбросах в шахтных условиях со скоростями разрушения, полученными в модели (3,6-15,8 м/с), высокая степень измельчения угля (удельная площадь вновь образующейся поверхности разрушения достигала 40 см2/г и более), образование каверны и отброс продуктов разрушения в потоке газоуголыюй смеси дают основание считать, что механизм разрушения в лабораторной установке соответствует механизму разрушения угля при внезапном выбросе в натуре.

Таким образом, экспериментально установлено условие возникновения лавинного самоподдерживающегося разрушения при внезапных выбросах, определяемое как функция безразмерных соотношений действующего давления газа в пласте, главных максимальных и минимальных напряжений и прочности угля на сжатие н разрыв.

Особенности напряженно-деформнрованного и газодинамического состояния прнзабойной области выбросоопасных пластов по данным натурных наблюдений [1-4,7-10,13,14,19,20-22, 26. 30, 35, 40. 41. 45 1.

Изучение закономерностей н особенностей формирования напряженно-деформированного и газодинамического состояний угольных пластов, склонных к внезапным выбросам, производилось на основе комплексных натурных исследований по разработанной нами методике. Комплекс натурных исследований выполнялся в наиболее выбросоопасных (Центральном н Донецко-Максевском) районах Донбасса и включал измерения напряжений и давления газа в прнзабойной зоне угольных пластов при помощи гидравлических датчиков давления ПГД-2, определение прочности угля в забое экспересс-мстодом прочностномером П-1, измерение начальной скорости газовыдсления из контрольных

шпуров методами, применяемыми при текущем прогнозе выбро-соопасноети. В ряде случаен также измерялись температура и сейсмоакустическая активность угольных пластов:

Наблюдения выполнились на 20 ¡иахтопластах различной степени выбросоопасности и неопасных, с широким диапазоном изменении их прочностных с во si ст в, газоносности, глубины залегания н других горно-дологических условий разработки. На основе полученных экспериментальных данных строили графики распределения напряжений и других физических характеристик в призабойной зоне пласта (рис. 2).

Прореженные исследования показали, что характерным для зт?бросооп?сннх плагшк «клялся уыень^лие гдубпяи области разработки и дегазации, возрастание коэффициента концентрации напряжений, градиента напряжений и давления газа в краевой части пластов, усиление скачкообразного характера перераспределения напряжений, возникновение нескольких максимумов концентрации напряжений.

По экспериментальным данным, полученным с применением датчиков давления ПГД и ДДС на 57 шахтных наблюдательных станциях, установлено, что ергдкяа глубина областей р." <грузк« (спад:! /д •,» г.раегой час;и ¡lvc-vh чаередр

¿;>-л«:,1 уменьшалась <: ;М » на меоиаси«.,х ил »стлх м <• кемгдегмы;. : ;>;> 2 Z i4 iiuGpfL'Xuiaciii jonax '<> до 2,7 м и местах Гг-едгш-• Ч1-5|Ч!« oil. /i«tar;aa.;:f амачегшй о л пьбр« «кюпаашх

ji -кх fius :«У«1к и ru>.-'tv».-IC«« t» «[К;И!лач КО-/,') .'! П местах a!it::;-:niiux аыбр кок н. Средни.«; зиачепи:: ко.Урф'<циентз

клиценграции нг приэтстй я краевой частч пластоп к г:~~

I. ~ маошальиог напряжение, чафиксчрованьос /летчиком, ай - исходное напряжение в датчике) возрастали с 1,4 на неопас-кг.ч ил к гак. г II н{'с;<;и:н;г-г ,н:нау 2,' » «••¡.■бречт-'гттпетш::

4 - i'-ciDk sii<t»i»i{ia.ix зыбрссо,* ,'ич:-ипич "',1. Диапазон р.*-- Ьросл этого показателя также был высокий и изменялся в ьыбросоопас-аых зонах в пределах 1,2-4,0, а в местах выбросов в пределах -2,3-3,5.

Наиболее ткрормягппиьш пекгзгтелем, хорошо оценивающим устойчивость призабойной зоны пыбросоопасных пластов, является показатель, характеризующий градиент концентрации напряжений а краевой части пластов grader = сгпаx/oq ~lk. Средние его значения, по экспериментальным данным составлявшие в не-опасных^зонах 0,4, в выбросоопасных зонах н непосредственно

2.

30 20 10 О

. Выброс

Пласт , горизонт 790м шахте "Красны« Октябрь'

,1

Рис. 2. Графики распределения напряжений и других физических характеристик в приза бойных зонах еыбросоопасмых пластов шахты "Красный Октябрь":

к - распределение напряжений О, давления газа Р, температуры 1° и схорости газовыделения % в призабойной зоне пласта Ьц); 1,2-различные типы кривых скорости газовыделения из контрольных шпуров; б - временно/1 ход изменения напряжений О и давления газа Р, измеренный датчиком ПГД-2 в призабойной зоне пласта ¿4

в месте внезапного выброса

перед внезапными выбросами возрастали до 1,2 и 2,6, т.е. соотиег-сташшо с 3 и 6,J раз. Вместе с ;iем, следует отмстить, чю аерс ¡аслечнь'': гес^слалнчспап' хлрз/.тсриггикн, vopaiuo кинь-ч-.1 >! 4ji!!jA>/jy it харл.!срные01.1ичн5» !•:С>j.о!i.,■;»!оiw а неопасного состояния угольны* пл?сточ, «мечут большие диапазоны раз-бро: .и; ел; па:;С'; :ч'н>;г- .«••Mi.i оср^гр'»! пн дач онлсчыу к асыlacni.iк Ь'ласЮа.

*Тi:); ; ¡K'piisi-ai ra.'ii.iii < .мин! <х c,u.',';y < га ¡-.л.с. ч >.а н>,;< aiua-p.-i а мроле .'¡они:* нлгф;-. ->.С!!и !'i и iip'.Kii'."^!,';; '¡лот а п '¡а., ¡а опрс-деляет характер изменения газодинамических параметров прнза-

^шйили inrrii f!TT?r"T",t И f^r^ ''Л'.Т'Л."'ЛССГЬ. Илр."

(T^IUH^ <« n rwrU^i» ПИЛ/-»*,» ^^TirtfiTJA ч^пял; .. р р "''Л^ £ Q f> ] Г" '¿ДСТ"

пластов происходят почти синхронно с аналогичными изменениями в эпюре распределения напряжений, а глубина зоны дегазации 1р в краевой части пласта зависит or глубины зоны разгрузки от напряжений обычно несколько превышая последнюю (рис. 2,а). Таким образом, характер изменения напряженного состояния пласта определяет также характер изменения его газодинамических параметров в призабойной зоне и в конечном

п it */«i ».'»'«-if* ТЛ^ГТОСООГТа fT'O^TT"

yp:

'i.^-VVi-Tca:-' I--.. ; гч >■ с oiv-aijH'Ui-;.' uiMCi: раац.с-

• • : i;»лг!a !.л !: .т: a 1аа:.а. »л со cceaca!,..■> iuji.^w-

г т." г. г ; ,'i: а л,;,л.!' '■.:."•■'./. < -i и . <> -л",,г ><•>, •< >. > д;ь. imi с. : члч.ом

,1.. ¿' - :^j'4',Cc-.iu<iCi.v -, .si; ■ мс i >.;<'•a< a a \ ()<■.». .J uv wn и p ••iljtyjvii <( Л,НИ.( К1>НЦ'.ЬТ|'Л!1.И" И '0"|рч 'КС И Иi !, мО.Ч.С! ОЫГЬ

xaput, repi'O излнчис двух и бллес мччеимумо» концентрации на-Л^ШЦ. (piiC. 2,С), i.e. ЧСрСДСЬаНИС 3Cih С/гШиЫ И pajipyjKK b призабойной части пласта.

'it •'¡|i,ii,»iiMc >a:.ni'. !.мс;)1и!С» ч л с по;' !>.< при ра.ааа чт.е

1 '".О" ачсак»; амааага (:;.п<а аг>-а) ииб^с.оя'Оа'Л^чм а уали.пи; пластов, определении параметров способов предотвращения выбросов и управления горным давлением закладкой для снижения выбросоопасности.

Закономерности изменения потенциальной энергии и ьы-бросоопасности угольных пластов в массиве с ростом глубины разработки по геологоразведочным данным fHil, 38, 42, 44, 45 ]■

Исследования изменения физических условий формирования потенциальной выбросоопасности массивов с ростом глубины горных работ производились по геологоразведочным дан-

ним. Для расчетов в качест ве исходных использовали данные по газоносности, температуре, выходу летучих, кавсрнометрии, зольности и влажности угольных пластов. Впервые, по данным, кавернометрин, на основе экспериментально установленной ее связи с физико-механическими свойствами углей, определяли модуль упругости, предел прочности на сжатие и показатель, характеризующий способность угля к газоотдаче в местах пластопере-сеченнй. В результате находили все величины, необходимые для расчетов энергии газа и энергии упругого восстановления пласта.

Энергию упругого восстановления пласта определяли по формуле

О2™

= • (2.4)

где аср - среднее напряжение, МПа, принимаемое равным давлению налегающей толщн пород уН (у- объемный dcc пород, И -глубина от поверхности); Е- модуль упругости угля, МПа.

Энергию газа рассчитывали по формуле

\Vr = AhXbMdlj, (2.5)

где А/г - удельное изменение энтальпии реального газа при его расширении, Дж/м3, рассчитывается по методике О.Н.Малин-никовой, как функция газоносности, температуры, влажности, сорбцнонных констант и пористости угля; X - газоносность угольного пласта, м3/кг; biQ - коэффициент, характеризующий скорость газовыделсиия из угля и определяющий, какая часть газа может выделиться из него за 30 с; d - истинная плотность угля, кг/м3; tj - плотность метана в газовой фазе, кг/м3.

Оценка изменения потенциальной энергии и выбросоопас-ности угольных пластов с ростом глубины горных работ выполнен на примере пласта hg Донецко-Макеевского района Донбасса, отличающегося высокой выбросоопасностью и большими глубинами разработки. Изменения с глубиной разработки упругой потенциальной энергии объемной деформации и пластовой энергии газа, рассчитанные по формулам (2.4) и (2.5) по усредненным для Донецко-Макесвского района данным по пласту hg, показаны на рис. 3,а.

По глубине залегания выделено три зоны. В первой, невы-бросоопасной зоне, начиная с глубины 400 м до глубины 600 м, заметно возрастает пластовая энергия газа и упругая энергия пласта, однако внезапные выбросы угля и газа еще не происходят. На

»-I I*

ч , j

"п \ i

'

? ? S ? - ■? S 9

à. :

.o h

i' * »S s JSCS. öS?

\!

I"'

S H s- «

o s д-

«S3

5 as

'S&8»

fi. "i >e = áa

¿i я U

5 л

c 3!

£

5«

Hi

с я _ 8'jji

<£ло

\0 X' 1

2 с »dB

глубине около 600 м при достижении пластовой энергией газа некоторого достаточно высокого уровня (\Vq-\- \Уг > Ж*) появляются первые внезапные выбросы угля и газа, которые происходят сразу с довольно высокой частотой. С глубины 600 м начинается первая зона выбросоопасности, в ней энергия газа превосходит энергию горного давления (УУг>1Уд), а газодинамические явления характеризуются высокой частотой и различной мощностью. С глубины более 850 м, в зонах геологических нарушений, и с глубины более 1200 м, в зонах спокойного залегания пласта, начинается вторая зона выбросоопасности, в которой упругая энергия сжатия пласта начинает превосходить пластовую энергию газа (Н'ог> И^). Более того, во второй выбросоопасной зоне пластовая энергия газа после достижения максимальных значений на глубине 600-800 м фактически уже не возрастает и даже имеет тенденцию к уменьшению, а упругая энергия пласта возрастает весьма резко, достигая 3-5 МДж/м3. Это обстоятельство, как подтверждает практика разработки пластов в Донбассе, серьезно влияет на изменение характера проявления выбросоопасности угольных пластов, начиная с глубин разработки более 800-1200 м, н требует соответствующего совершенствования способов предупреждения внезапных выбросов. На таких глубинах разработки несколько изменяется природа динамических явлений, возникают динамические явления промежуточного типа между внезапными выбросами угля и газа и горными ударами, возрастает роль фактора горного давления в формировании выбросоопасной ситуации.

Выше рассмотрены некоторые общие тенденции и зональность изменения энергетических условий проявления выбросоопасности по факторам газа и горного давления с ростом глубины залегания особо выбросоопасного пласта Л^, установленные по усредненным значениям энергии газа и горных пород для этого пласта в пределах Донецко-Макссвского района. Рассмотрим более детально, как может изменяться степень потенциальной выбросоопасности этого пласта на конкретном участке шахтного поля.

На рис. 3,6 показаны изменения потенциальной выбросоопасности и потенциальной энергии пласта Лд по факторам газа и горного давления в поле шахт имени газеты "Социалистический Донбасс" и "Заперсвальная", рассчитанные поданным геологоразведочных скважин. Видно, что первая зона повышенной потен-

циалыюн выбросоопасности пласта в поле шахты "Социалистический Донбасс" находится на глубине 750-900 м; на глубине 900-1100 м наблюдается зона уменьшения выбросоопасности пласта, а на глубине 1200-1400 м вновь прогнозируется зона повышенной выбросоопасности. На глубине 900-1100 м огмечено падение потенциальной энергии массива и газа, а начиная с глубины более 1100 м, упругая энергия пласта превышает энергию газа. Следовательно, рассмотренная выше обобщенная зональная закономерность изменения потенциальном энергии и выбросоопасности в натурных условиях может иметь также волнообразный характер с чередованием зон повышенной и пониженной энергетики и выбросоопасности массива по глубине. Получен ные результаты являются важными в практическом плане, так как могут быть использованы для обоснования применения системы разработки с восходящим порядком отработки, выбора наиболее рационального порядка разработки защитных пластов и выделения зон-заблаговременного эффективного применения региональных способов предупреждения внезапных выбросов.

3. ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ ВЫБРОСООПАСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Гео м с х а н и ч ее к ое обос I юеание п критерии оценки выбросоопасности призабойной об:щегц,угольных пласгоп [4, 25, 27, 29, 31,39, 40].

В соответствии с работами С.А.Христиаповича, И.М.Пету-яова, А.М.Лннькова методы расчета условий возникновения внезапных выбросов сводятся к математическому описанию условий яозгшк?гсвегая послойного разрушения волной дробления, сиз дающейся под действием газа н горного давлении в тонком слое у обаажеиион поверхности забоя. Количественные критерии условий возникновения лавинного разрушения, просто определяемые и пригодные для инженерных приложений, получены нами на основе физического моделирования (2.3). Однако модель разрушения послойным отрывом с поверхности обнажения не является всеобъемлющей. Она может быть применима к случаям вскрытия угольных пластов и проведения горных выработок взрывным способом, но не подходит для более общих условий формирования выбросоопасной ситуации при выемке комбайнами, стругами,

отбойными молотками и подвнгании забоев при наличии зоны разгрузки и дегазации в краевой части пластов. Для таких условий модель формирования выбросоопасной ситуации должна строиться с учетом наличия зоны разгрузки в краевой части пласта и величины подвигания забоя. В данном случае, помимо выполнения условий возникновения выбросов по схеме послойного разрушения волной дробления с обнахсеиной поверхности, необходимо выполнение условий, связанных с наличием пластичной и дегазированной зоны разгрузки в краевой части пласта, играющей роль защитного слоя (рис. 4). Для учета этого важного обстоятельства предложено в условие лавинного разрушения ввести безразмерный показатель 10/1к (отношение величины подвигания забоя /0 к глубине зоны разгрузки 1к), характеризующий устойчивость краевой части пласта в самый выбросоопасный момент времени -момент подвигания забоя.

В

Рис. 4. Схем* формирования выбросоопасности а приза войной зоне угольного пласта:

1 - перед поджиганием мбо»; - во врема и сразу (Д1~*0) после подвигания <»ыемки); 2 - перед следующим циклом подвигания (аыемки); 3 - размеры юоножной полости «мброс», В« - критическое значение показ* тел я аыбросоогшслости

Таким образом, условие разрушения н выброса по предлагаемой нами схеме определяется в первую очередь условием потери устойчивости призабойнои зоны пласта и во вторую-условием возникновения лавинного самоподдерживающегося разру-

п»еняя. Оба эти услог.пк обьслчисмм я слащенном г.пглеоии г-н-

;\')оссолпгностп:

" Y^LzJííib.a^) <ЗЛ!

V hp ксж I lk

где la - глубина ¡(Htí.uuj ícmcííuoc по:нтгаш<е шбон), м, lK - глубина зоны разгрузки от напряжений •« лтзаштг * пригпбоГ;,,с.Л пап н

угол: aojo ¡¡лаж, м; сста;а.ние е&кшачсш«» re что ¡\ » формуле (2.3).

Два первых безразмерных показателя (комплекс.^ кри-.tiiiH« < Д í > у»р»ктерг?уг?т урггепь паари^сниЛ и ланл^ии« i-a-*», iw'i несенные с прочностью (потенциальную выбросоопасность), а третий - устойчивость призабойной части пласта в первый, наиболее пмбросоогтасный момент времени после образования попой свободной поверхности в результате выемки и подвнгання забоя. В зависимости от типа газодинамического явления свойства массива и основные действующие силы, определяющие условия его возникновения, могут существенно различаться. Это отражается на количественных значениях безразмерных комплектов, ,S\T.i7KÍ;T,!:'>; ? критерий ('3,! >, кщлрп»» -иже i рассей, по в пмч кяг: о-Ъ:>;пА(Гчце<: условие тг^тпи^ег-ч -> P,HCÁ¡:];!':;V7 ныбр;..гл.

Пг,гт! .-irírafr 'а:> .».,', .^ормирии-лш л чмбгчхлп.чгмпй гягуа-•(>>;• !» .ЧМНККПАВСМИП «ЛнегИни^; «м^рсчго» СОСТОЯТ Р Cjií7?VKW'M.

,;¡,¡6per yr.i» » ?л;*, рлегматрипл^им ел» «а-<е.чне пы-пн^лйгд.Чгии г>нср|ни laa.HKViiHM массиочм ioi' terime потерн ycTo:»4n¡iocT'íf np(t.iar>>iiíh>'-í< зоны т.чета. ilp,¡ вмемке (чоднчг.нти з?по»> уб.чра'ется частично или полностью буфериля защитна» зона и обнажается зона погашенных напряжений и давлении газа. В момент подвнгання забоя при достижении показателем выбросо-опасности на кр<п?кс вкот» ебнакдемой поверхлосун пласта кри-te,ческой гелкчнны H¡ нризабойяая :»оиа пласта егаиоьнтсм неустойчивой и начинается лавинное разрушение пласта, сопровождаемое выбросом угля и газа (рис. 4).

Анализ критерия (3.1) показывает, что соотношение между глубиной заходки при выемке и глубиной зоны разгрузки впереди забоя, определяемое безразмерным комплексом существенно влияет на устойчивость призабойной зо<тн пласта'и играет решающую роль в возникновении выбросоопасностн. Снижение глубины заходки благодаря применению узкозахватной или стру-

говой выемки или увеличение протяженности зоны разгрузки в пласте впереди забоя путем обработки массива локальными или региональными защитными средствами может существенно уменьшить выбросоопасность.

Метод определения влняння способов управления горным давлением и технологии выемки на выбросоопасность угольных пластов [3, 4, 35, 36,40 ].

Дли инженерных приложений выполнены некоторые дополнительные преобразования и упрощения критерия (3.1), в результате которых все входящие в него параметры могут быть определены достаточно просто в натурных условиях. Анализу показывает, что для углей показатель пустотности тГв условиях трещинообразовдния в краевой части пласта может быть принят близким к единице, а величина бокового сжатия пласта со стороны забоя а3 на кромке пласта^ близкой к нулю. Исходная величина напряжений сжатия Оу в нетронутом угольном массиве принимается равной весу налегающей толщи пород, т.е. а, —Оуц — уН (где у - средний объемный вес налегающей толщи пород, Н - глубина расположения рассматриваемой точки массива от поверхности). При учете концентрации напряжений в окрестности горной выработки 0\ —кОуц.

В результате проведенных преобразований критерий выбросоопасности (3.1) приведен к более простому виду, пригодному для инженерных приложений:

Определение количественных значений критерия (3.2) для пластов различной степени выбросоопасности было выполнено на основе натурных наблюдений, проведенных на 47 участках 9 шах-топластов Центрального и Донецко-Макеевского райнов Донбасса.

В полученном координатном полегеомсханическнх показателей выбросоопасности Р1(/Яр1к и к. Оуц1</Ясж!к выделены три области: неопасная по газодинамическим явлениям, выбросоо-пасная и высокой степени выбросоопасности. Линии разграничения этих областей 1-Ш описываются соответствующими линейными уравнениями, исходя из которых критерий выбросоопасности определяется по формуле

(3.2)

ПриВ<8-уголышй пласт или участок пласта относится к неопасным по внезапным выбросам, при В > 8 - к опасным, при В > 13 к особо опасным.

При использовании критерия (3.3) для оценок степени вы-бросоопасности пластов вероятность ошибок первого рода равна нулю, а вероятность ошибок второго рода не превышает 0,05. Статистический анализ полученных экспериментальных данных с применением критерия Стьюдента показывает, что все безразмерные комплексы, входящие в формулу (3.3), имеют высокую информативность. Наибольшей информативностью (Т-2,74) обладает безразмерное соотношение Р/кр, характеризующее газовый фактор и прочность угля. Безразмерные соотношения к Оуц/Яы и и/1^ характеризующие фактор горного давления и технологию выемки, имеют информативность по критерию Стьюдента соответственно равную Т-2,63 и Т-1,63. Еще выше информативность соотношений Р ¡о/Яр1к и к£рун/Я.соответственно Т-19,9 и Т-5,03.

Структура комплексного критерия выбросоопасности В позволяет раздельно оценить вклад факторов горного давления, давления газа и прочностных свойств пласта в формирование степени н характера выбросоопасности под действием природных и технологических факторов. Сумма показателей 0,3 к Оуц/и Р/Яр характеризует потенциальную выбросоопасность пласта по факторам горного давления, газа и прочностным свойствам пласта, а показатель - возможность изменения ее в краевой части пласта под действием технологических факторов. Например, при помощи способа управления кровлей или изменения его параметров можно достаточно эффективно воздействовать на изменение глубины области разгрузки пласта от напряжений, т.е. регулировать градиент напряжений и давление газа в краевой части пласта и тем самым существенно изменять его реальную выбросоопасность. Применяемые способы управления горным давлением и технология очистных работ должны обеспечивать минимальные значения критерия выбросоопасности.

Определение показателей, входящих в критерий выбросоопасности (3.3), производится отработанными для шахтной практики методами. .

Пластовое давление газа Р измеряетс51 в скважине через породную толщу по стандартной методике, изложенной в приложении 3 к "Инструкции по безопасному ведению горных работ на пластах, склонных к внезапным выбросам угля, породы н газа", или определяется расчетным путем по формуле Р — X/Ь (Х0 — X), где X - газоносность пласта, м3/т ; Х0 и Ь -сорбционные параметры, принимаемые в зависимости от стадии * метаморфизма угля. Глубина зоны разгрузки пласта от напряжений и коэффициент относительной концентрации напряжений к измеряются гидравлическими датчиками давления типа ПГД-2 или ДДС-1. Допускается также определение по скорости газовыделения из контрольных шпуров стандартным способом, применяемым в текущих методах прогноза выбросоопасносги. В этом случае на основании выполненных исследований принимается, что — 1,21р, где 1р — ^цшах - расстояние от забоя в глубь массива до точки с максимальной скоростью газовыделення, а коэффициент концентрации напряжений к принимается равным 1,5 для подготовительных выработок и 2,0 - для очистных. Пределы прочности угля на сжатие Ксж и разрыв 11р определяйся в забое горной выработки экспресс-методом прочностномером П-1 по величине динамического внедрения пуансона на основе зависимостей (3.6).

В результате количественной оценки влияния способов управления горным дазлением на выбросоопасность призабойной части угольных пластов по разработанному методу установлено, что зоны разгрузки, коэффициенты концентрации напряжений и показатели выбросоопасносги на одних н тех же пластах, но с различными способами управления горным давлением заметно различаются. Так, на выбросоопасных пластах тг "Тонкий" и к4 "Андреевский" шахты "Красный Октабрь" при замене способов управления горным давлением удержанием на кострах и обрушением на полную гидравлическую закладку с рекомендован-^ ными параметрами коэффициенты концентрацшПйшряхсенйй уменьшились в 2,4-2,6 раза, глубина области разгрузки возросла в 1,7-2,3 раза, а выбросоопасность пластов, оцененная по критерию В, уменьшилась в 2,2-2,3 раза, в результате чего потенциально выбросоопасные пласты за счет правильно выбранного способа , управления кровлей были переведены в практически неопасные.

Метод определения влияния способов управления горным давлением н технологии выемки на выбросоопасность призабой-

ной зоны угольных пластов п лапах глубоких шахт прошел промышленные испытания на шахтах Донбасса и рекомендован Цен тральной комиссией по борьбе с внезапными выбросами утл л, породы и газа к внедрению. В настоящее время он применяется на трех шахтах в Донбассе. Кроме того, разработанный метол был чгпольловян при опенке эффективности региональное споо<<ба снижен!;:? зыбросоопасчости мощным взрывом, осуществленным пустопнчх Центрального района Донбасса по ме^ограслсвоч программе "Кливаж".

Метод определения степени (категории) выбросоопасности угольных пластои и участков по комплексу Физических показателей [47, 48, 56

Метод определения категорий выбросоопасности угольных шахтопластов и участков по комплексу физических показателей предназначен для отнесения выбросоопасных угольных шахтопластов н участков Донбасса к категории особо выбросоопасных, а также для обратного перевода выбросоопасных шахтопластов или участков в категорию угрожаемых или неопасных. Метод также может быть использован для обоснования выбора мероприятий по предупреждению внезапных выбросов и других газодинамических яв пс~? -й в соответствии со степенью (категорией) Бглброссопасносп; угольных пластоз.

Физическая основа метода базируется на теоретических представлениях оспязи выбросоопасности с устойчивостью приза-бойной зоны и структурными особенностями нахождения метана

з угле. Критерий оценки степени (категории) выбросоопасности определяется на основе нахождения трех безразмерных параметров, характеризующих выбросоопасность по комплексу физических показателей и имеет вид

Здесь <2 - весовое содержание метана в отобранной пробе угля, кг/КЯкг, при давлении газонасыщения Р ш 4—5 МПа и влажности угля И^ ™ 0%; И^ - содержание адсорбированной (физически связанной) влага в угле, кг/ 103кг. Обозначения 0уИ, Ясх, те же, что в формуле (3.3).

зателем газодинамической активности угольного пласта, опреде-

(3.4)

Первый безразмерный параметр , названный пока-

ляется количественным соотношением метана и адсорбированной воды, содержащейся в структуре угля. Он характеризует способность угля к активному газовыделению в процессе разрушения, а также влияние водо-метановой среды на изменение упругих и пластических свойств угля, т.е. определяет влияние на выбросо-опасность газового фактора. Второй и третий безразмерные параметры, так же как и в критерии (3.3), характеризуют возможную степень разрушения угля под действием горного давления и устойчивость призабойиой части пласта в момент подвигания забоя (выемки).

Для установления категории (степени) выбросоопасности пласта в соответствии с критерием (3.4) инструментально определяется содержание физически связанной воды в отобранных пробах угля спектрометром ЯМР, прочность угля в забое экспресс-методом прочностномером П-1, глубина зоны разгрузки в призабой-ной части пласта по динамике газовыделения из' контрольных шпуров. Измерения производятся через каждые два цикла подвигания очистного забоя на протяжении 18-24 м (10-15 измерений) и в каждом цикле суточного подвигания подготовительного забоя на протяжении 25-37 м (10-15 измерений). Содержание метана в угле (2 при характерном давлении 4-5 МПа определяется один раз на протяжении всего участка наблюдений.

Исследования и промышленные испытания метода оценки степени (категории) выбросоопасности проведены на 6 шахтах Донбасса, на 7 шахтопластах крутого н пологого залегания разной степени выбросоопасности и глубине разработки 790-1144 м.

На основе выполненных исследований и промышленных испытаний установлены количественные критерии отнесения вы-бросоопасных шахто пластов (участков) к категории особо опасных и обратного перевода угрожаемых или выбросоопасных шах-топласгов (участков) в неопасные.

Угольный пласт (участок) относится к категории особо опасных при значении критерия выбросоопасности

Угольный пласт (участок) может быть переведен из категории угрожаемых или выбросоопасных в неопасные при значении критерия

Щ

Как показали промышленные испытании, классификация угольных шахтоплаего» по критериям (3,4) и (3.5) на особо опасные или неопасные производится без ошибок I -го и 2-го ропя.

Кроме того, :>гч кртерии хорошо применимы для ко.шчес-геешшх иценох: и расчетов изменении зиброссопаснесш планов при их профилактической обработке растворами ПАВ.

¡'алше экснресс-мегода определении физике- механических свойств углей п забоях гарных выработок при прогнозе |'чС»1 «.кот.асностн и улароонасности угольных пластоп } 1 З^.А-Ь.

16,'¡П

Решение вопросов быстрого, достаточно простого и надежного пппйпйдрння физиуо-мехянич^тких с"ом'тти углей нпих'рсц-стаенно и забое горной выработки является важной чаоью успешного осуществления пропюза и предупреждения внезапных выбросов и горных ударов в шахтах. Для этих целей автором разработаны и внедрены экспресс-метод и прочностномер П-1. Прочность угля определяется по величине динамического внедрения пуансона, получающего определенную (27 Дж) энергию удара от пружинного механизма. Прибор позволяет производить до 2-3 замеров в минуту. Масса прибора 5 кг. Показатель проч-посги определяемся условных единицах: </ " 100 - Л, где Л -¡■лучина миедремия лону а, мм.

! 1а г-смоче комг: н еннх шахтных и лабораторных исследо-.•ани>>, пыпояненпых па 2ь' угольных пластах Донбасса и Поркут-гкогс месторождения разной степени метаморфизма, тектонической нарушенноегч и ныбросоопасности, установлена корреляционная связь показателя прочности, определяемого динамическим внедрением пуансона, пределами прочности углей на сжатие и разрыв, энергоемкостью их разрушения, модулем упругости и показателем газодинамической активности. Эти показатели представляют интерес для инженерных методов пропюза внезапных выбросов и других динамических явлений в шахтах, а также выбора и расчета эффективных параметров их предупреждения.

Установлены следующие зависимости: *сж = 9^; = ; ¿30 = 0,20 (I - (3.6)

Исследования показали, что прочностные свойства углей выброссопасных пластов изменяются в широких пределах, зависят от стадии метаморфизма и решающим образом определяются степенью тектонической нарушенности угля. Так, в Донбассе

прочность на одноосное сжатие Лсж углей разных стадий метаморфизма и высокой (четвертой или пятой) степени тектонической нарушенности изменяется в диапазоне 1,0-2,0 МПа, средней (третьей) степени - в диапазоне 1,8-4,5 МПа и малонарушенных (первой, второй степени нарушенности) - диапазоне 3,6-8 МПа. Выбросоопасные зоны этих пластов всегда представлены хотя бы одной пачкой угля высокой и средней степени тектонической нарушенности.

Поданным, полученным на шахтах Кузбасса, Воркутского месторождения и Карагандинского бассейна, внезапные выброси не происходят на угольных пластах с газоносностью менее 10м3/т и прочностью более 75 единиц по прочностномеру (или ЯСж> >4 МПа).

Разработанный экспресс-метод определения физико-механических свойств углей в забоях горных выработок внедрен и применяется при локальном и текущем прогнозе «ыбросоонас-ности [43], при прогнозе горных ударов ("Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих пласты, склонные к горным ударам", 1981 г., §2 и 3 Приложения, с. 46-56), для выявления выбросоопасных угольных пачек при текущем прогнозе выбросоопасностн на шахтах Кузбасса и Воркутского месторождения [46 ].

Метод прогнозной оценки изменения энергии и степени потенциальной выбросоопасностн угольных пластов с ростом глубины разработки по геологоразведочным данным [42, 44, 45, 49].

Природная (потенциальная) выбросоопасность угольных пластов определяется нх физическими свойствами, особенностями напряженного и газодинамического состояния, которые заметно изменяются с ростом глубины горных работ и могут существенно влиять на изменение степени и характера выбросоопасностн месторождения по глубине залегания, что недостаточно учитывается существующими методами прогноза.

Преимуществом разработанного метода определения степени выбросоопасностн угольных пластов на основе геологоразведочных данных является возмохшость количественной оценки изменения степени выбросоопасностн угольных пластов с ростом глубины разработки в физических показателях, определяющих потенциальную энергию массива, с дифференциацией по факторам газа и горного давления, что повышает надежность прогноза и позволяет более обоснованно выбирать способы предупреж-

.'.•л"!" чш'зниш пиопосои » зависимости от свойств пласта*" >» тшшн. газодинамических явлений.

Иг1' ;*.!' ЛЛ!; с летала пап-с 11 еУтУ' Улачоаатнтг-

; а ) ¡. а та;-< гслл'Л- > лл,':;л а ал. ■■ а длапп--. • 'М.-отрг^

" "»тг «" пт!^!!^» пнепгии.1 устойчивости и потенциальной , •• • чал.а.а<• у?а.;; ла -> плалдг п мл''<лг'а. Длаинред^лешгикритерис.'! р^механнчекгт* лл<дм ¡ш а-:-'"■• ■ .а ■ ■< л "'а- ч ц-г,»«.;> а л!>лм'П' :л г'¡'лгллт-г ]•■•>'.' • 'ла: ллало. ;а ¡¡-нг-, 'к-'т; -л-платл.- нт^-лл а лил1''» метрия в месте пластопересечения Д, температура плаиа 7, глуб:::::: и " [«»чипктяты технического анализа

ЧЛЯ1.ВПГТЦ /1 ипйжн|н;|ь

На основе найденных для угольных пластов Донецко-Маке-евского и Центрального районов Донбасса экспериментальных зависимостей между показателями кавернометрии и физико-механическими свойствами углей поданным кавернометрии определены предел прочности угля на сжатие Лсж, модуль его упругости Е и коэффициент газоотдачн Ь^. Используя эти данные и данные по газоносности ЛТи температуре Т пластов, а также определяемые Л7 лн.чл^зл со^анио""»-"1 константы а„. Ь н порис-

■ч.;''' ал '¡'-»"м у лам ( л.4) а ( 2,5» аЛ-Ьсстипну

• ' •.•)•',: • ,~>аг» -'и,,, Г,</;,>, /', <?) а ~! ¡('¡а';» а- г-' аа-ар.) да а --

•• 'а ! ; ' ; а! • ; а - ГЛ ПОКЛ СГ! 1* <Л) у го. И ЧК!-< /¡ЛДОЛч !■-;• лДа'л.л ' ,

'}к'Нч-п-! V I,. а ..»ерпи; уаругого лосстянопленнч угольного п 5 4 л-л-л-'О допоан а ¡лт другдруг?, и г.ссле лесгитсення опреле-.шлчешй, ¡-х-сипочных для развития газодинамических ;::>леннй, создают потенциальную аыбрссоопаснссть пласта. На основе обработки геолого-геофизическнх данных, полученных по ¡••сасг-!/а:а'Одг-ч:тт,':т с"гг~пнг.гг я пределах пяти шахтных полей Дсасакс' Ма^леаскагд ¡•.■•жша Донбасса, ч сопоставления их с фактической иыбросоопаснсстыо пластоз определены критерия отнесения шахт-опластов этого района к шахтопластам (участкам) различной степени (категории) выбросоопасности. Критерий отнесения птлгггопллстз (участка) к категории особо выбросоопас-ннх:

= +0,15 \Уа-0,35£0. (3,7)

Критерий отнесения шахтопласта (участка) к категории не опасных по внезапным выбросам:

В0 = \УГ+ 0,075И^-0,15 250. (3.8)

Статистическая обработка данных показала, что отнесение шахтопластов (участков) к категории особо опасных производится без ошибок первого рода; ошибки второго рода составили 12%. Отнесение шахтопластов (участков) к категории неопасных производится без ошибок второго рода; ошибки первого рода составили 13%.

Область применения метода определения категории выбро-соопасности угольных шахтопластов (участков) по потенциальной Энергии массива, рассчитываемой по данным геологоразведки, - прогнозная оценка изменения степени и характера (дифференциация по факторам газа и горного давления) выбросо-опасностн угольных пластов с ростом глубины разработки, отнесение угольных шахтопластов (участков) к категориям особо опасных, выбросоопасных и неопасных на стадии подготовки новых горизонтов и участков шахтопластов к разработке. Метод может быть также использован для определения оптимального порядка разработки защитных пластов и выявления зон повышенной энергии и выбросоопасности пластов для заблаговременной их обработки региональными способами предупреждения внезапных выбросов.

4. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ОСНОВ И ПАРАМЕТРОВ

ПРИМЕНЕНИЯ ЗАКЛАДКИ В КАЧЕСТВЕ СПОСОБА УПРАВЛЕНИЯ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ, СНИЖАЮЩИМ ВЫБРОСООПАСНОСТЬ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Исследование влияния закладки выработанного пространства и других способов управления горным давлением на выбросо-опасность угольных пластов, геомеханические основы применения закладки в качестве способа управления горным давлением., снижающим выбросоопасность (12, 13, 17,25Т 28, 30, 35, 36, 401.

При проведении исследований был охвачен по существу весь диапазон горно-геологических условий разработки.крутых выбросоопасных пластов Центрального района Донбасса. Комплексные инструментальные натурные наблюдения выполнены на крутых пластах разной степени выбросоопасности, мощностью 0,5-1,85 м, газоносностью 7,5-40 м3/т, с глубиной разработки 500-825 м; вмещающие породы представлены глинистыми сланцами и песчаником. Инструментальные наблюдения включали

измерение напряжений и давления газа в призабойных зонах угольных пласгоп гидравлическими датчиками ПГД-2 и ДДС, определение конвергенции пмсшаюпптх пород измерительными стойками СУИ, оценку выброссюпасности угольных пластов стандартными методами текущего прогноза - сейсмоакуо нчсским и по скорости газсвыделения из контрольных шпуров.

Обобщены данные исследований, выполненных более чем за дссятттлстппй период натурных наблюдений при общем поджигании лап с закладкой и другими способами управления горным давлением около 20 км по простиранию. За ото время были произведены массовые измерения сближения боковых пород измерительными стойками СУП и прочностных свойств угольных пластов прочностномером П-1; установлено более 200 датчиков и выполнено более 3000 единичных замеров напряженного состояния в призабойной области угольных пластов, оборудовано около 100 скважин для замера давления газа в тех же угольных пластах. Пробурено более 2500 контрольных шпуров в забоях для определения начальной скорости газовыделения из угольных пластов. Этот объем натурных исследований выполнен при непосредственном участии н научном руководстве автора совместно с к.т.н. Э.^.Гайкп и руководимой им лабораторией опытло-эксперпмсн-тдльнмх работ ИГД нм.Л.Л.Скочинского.

Исследо /дновлено, что при применении способа

управлений кроплен гидравлической закладкой вместо удержания на косгра :< и обрушения средняя величина разгруженной зоны на различных угольных пластах впереди забоя лавы увеличивается в 1,7-2,3 раЗа, коэффициент концентрации напряжений уменьшается в 2,4-2,5 раза, а градиент концентрации напряжений в призабойной части пластов - в 3,3-5,5 раза. Таким образом, при управлении кровлей полной гидравлической закладкой выработанного пространства характер распределения напряжений а краевой части угольного пласта изменяется (рис. 5): перераспределение напряжений происходит более плавно, уменьшается концентрация напряжений, зона максимума напряжений отодвигается в глубь пласта, увеличивая разгруженную от напряжений и дегазированную зону впереди забоя, что создает услозпя для снижения или полной ликвидации выбросоопаснсстн.

Заметное влияние заложенного массива на снижение коэффициента концентрации напряжений и уменьшение скачкообразности его изменения, а также на увеличение протяженности защитной зоны спада напряжений в краевой части пласта начина-

о> о.

б

50 30

го ю о

зо 20 10

/ Л1 V }

( л ! Т ' Л ч Ч-Б.1.3

ч(- Л. 45 .1 \ -*с

Г- ш.г! 1

1 1 1

> ■— \

/ /

О 0,9 2,7 *,5 6,3 е,1 9,3

&

Чм^л/нин

25

22 18 1410 6 г

ГыГ

• /

1*5

1,5

1,7

/Д»^

1,5

3,5

5,5

е,м

Рис. 5. Определение влияния способа управления горным давлением на выбросоопасность краевой части • угольных пластов:

а - распределение напряжений при управлении горным давлением удержанием на кострах; б - то же при гидравлической закладхе, 46.1.1 - номера датчиков; в - скорость газовыделения из краевой части пласта

ет проявляться при средней плотности заложенного массива по лаве более 1,60 т/м3 и его отставании от забоя пласта на более 9,9-12,6 м. Влияние закладки на газодинамическое состояние краевой части угольных пластов происходит аналогично ее влиянию на напряженное состояние пластов. Оно проявляется в том, что заложенный массив, противодействуя сильному сближению пород кровли, устраняет зажим хромки пласта н создает благоприятные условия для ее дегазации.

На рис. 5,з приведены графики, показывающие влияние изменения плотности закладки на скорость газовыделения из контрольных шпурез з краевой чзстя пласта т^ на шахте "Красный Октябрь". Чем больше средняя плотность заложенного массива по лаве, тем больше ее влияние при прочих равных условиях (в данном случае постоянном максимальном отставании закладки от забоя, равном 9,9 м) на снижение скорости газовыделения из краевой части пласта. При плотности закладки 1,41,5 т/м3 глубина дегазированной зоны (принято, что начальная скорость газовыделения в ней не превышает 5 л/мин) для пласта mj составляла всего 1,8-2,7 м. Влияние закладки становится до-(тггппий С'£НУТ1?7-/••?•? яря плотности заложенного массива ум £ 1 ,íj т/м3. В этом случае ширина дегазированной зоны в краевой части ил?,ста ;'о:; чгстает до 4,5 м и более, что позволяло отрабатывать рласг ситуации, которая нормативными методами текущего прогноза зыброеоопасности (сейсмоакустичесхим и по скорости газовыделения) оценивалась как непыбрссоопаснаа.

Влияние изменения параметров плотности закладки на изменение характера перераспределения горного давления в кра-езой часта пласта происходит аналогично и показано на рис. 5,6. При увеличении плотности закладки с 1,65 до 1,9 т/м3 глубина ~о;т рппгрупг.:» я призабойной части пласта возросла с 2,7 м до 7,2 м, а коэффициент концентрации напряжений уменьшился с 1,4 до 1,1.

На основании проведенного комплекса исследований влияния закладки на выбросоопасность краевой части пластов разработанн рекомендации по параметрам применения закладки

на тонких и средней мощности крутых пластах, обеспечивающим устойчивое влияние' закладки на снижение их выброссопасности.

Рекомендуемые параметры применения закладки в качестве способа управления горным давлением, снижающего выбросоопасность угольных пластов [17, 34, 36.37, 43 ].

На основе проведенных исследований установлено, что плотная гидравлическая закладка с определенными регулируемыми параметрами (плотность, шаг закладки, отставание закладочного массива от забоя) позволяет изменять направленным образом напряженное и газодинамическое состояние призабойной области угольных пластов и снижать их выбросоопасность. Снижение выбросоопасности происходит за счет увеличения зоны разгрузки и дегазации в краевой части пласта и исключения экстремальных разгрузок и пригрузок кровли.

Влияние закладочного массива на снижение выбросоопасности угольных пластов начинает сказываться тогда, когда плотность возведенного массива становится не менее 1,6 т/м3 в целом по лаве, а его отставание от забоя на момент возведения новой закладочной полосы не более 9,9-13,5 м.

Эффективное'устопчивое влияние закладочного массива на снижение выбросоопасности наблюдается тогда, когда его плотность составляет 1,65-1,8 т/м3, максимальное отставание 7,210,8 м, а минимальное отставание после возведения - 1,8-4,5 ы. Оптимальный шаг закладки - 3,6-6,3 м.

Рекомендуемые параметры закладки при разработке тонких и средней мощности выбросоопасных пластов: шаг закладки - 4,5 м; плотность закладочного массива - не менее 1,7 т/м3; отставание закладочного массива от забоя: минимальное - 2,74,5 м, максимальное - 7,2-9,0 м.

В зависимости от степени выбросоопасности и мощности угольных пластов параметры закладки рекомендуется варьировать в следующих пределах (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Категория вы-бросо-опасности пласта Допустимое отставание закладки Плотность массива, т/мЛ не менее

минимальное при мощности пласта, м максимальное при мощности пласта, м

<0,8 0,8-1,3 >1,3 <0.8 0,8-1,3 >1,3

Особо выбросо- опасный 4,5 3,6-2,7 2,7 9,0 8,1 7,2

В поросо-опасный 4,5 3,6 3,6 9,0 9,0 9,0 1,70

Угрожаемый 4.5 4.5 3,6 9,9 9,9 9.9, 1,65

Выводы, полученные по результатам исследований влияния гидравлической закладки на выбросоопасность, могут быть использованы при применении других видов закладки.

Рекомендации по уточнению границ защитного действия пластов, разрабатываемых с закладкой [36, 37, 43 ].

Надежная охрана окружающей среды и подрабатываемой поверхности, повышение устойчивости горных выработок при управлении горным давлением закладкой выработанного пространства обусловило необходимость ее использования также на пластах, применяемых в качестве защитных. Однако, поскольку плотнзп закладка уменьшает общую величину сдвияепия массива междупластья и влияет на уменьшение граипц защитного действия пластов при ее применении, то это положение по существу без проверки в натурных условиях Центрального района Донбасса было отражено в нормативных документах введением коэффициента, снижающего "эффективную мощность" защитного пласта (К-0,2).

Для установления фактического изменения границ защитного действия пластов в реальном массиве при применении закладки были проведены инструментальные исследования. Определялась степень влияния отработки защитного пласта с применением гндраплич-хкой закладки на эффект его защитного действия нормативны: ги методами контроля выбросоопасности по скорости газовцделения и сейсмоакустической активности, а так-путем комплекса наблюдений за напряженно-деформированным и газодинамическим состоянием пластов, описанным выше. Исследования и промышленные испытания влияния закладки па изменение границ защитного действия пластов выполнялись совместно с ВНИМИ и б.Енакиевским сектором ИГД им. А.А.Ско-■¡нНского (В.П.Кузнецов, И.А..Нозичихин,Э.И.Гайко).

Исследозания показали, что при использовании закладки одновременно на защитных и подзащитных пластах выявляется положительный дополнительный аспект ее применения, влияющий на увеличение "эффективной мощности" защитного пласта, который следует учитывать при определении границ защитного действия пластов.

На основе выполненных исследований "эффективную мощность" защитного пласта рекомендуется определять по формуле

тгф ~ к? т, (4.1)

где - коэффициент, учитывающий уменьшение сближения боковых пород при применении закладки на защитном пласте;

jfc, - 0,35 при плотности закладки ум ^ 1,65 т/м3; к2 - коэффициент, учитывающий влияние способа управления кровлей, применяемого на подземном пласте, на зону разгрузки в краевой части пласта и его выбросоопасность; к2 ш 1,5 при ум 2£ 1,65 т/м3;

ш - мощность защитного пласта. „

Следует заметить, что принятие значения к\ ш 0,35 вместо Лг| —0,2 позволяет увеличить "эффективную мощность" защитных пластов при использовании гидрозакладки в 1,75 раза, а с учетом дополнительного влияния применения закладки на подзащитном пласте (к2 — 1,5) - в 2,6 раза.

Результаты применения гидравлической закладки с рекомендуемыми нами параметрами вместо других способов управления горным давлением рассмотрены на примере двух особо вы-бросоопасных шахт Донбасса: "Красный Октябрь" и "Юнком". В анализируемой по этим двум шахтам выборке подвишиие забоев лав составил о бол ее 150 км, в том числе с закладкой - более 33 км; при этом произошло 654 газодинамических явления. Диапазон глубин разработки - 400-800 м. Анализ показывает, что фактическая вероятность возникновения газодинамических явлений составила при способе управления горным давлением удержанием на кострах 4,6—7,6'10 , обрушением на органную или механизированную крепь - 4,5—6,5* 10"3, а при гндрозакладке - всего 0—2 '10"4. Управление горным давлением гидравлической закладкой с рекомендованными параметрами при подвиганин очистных забоев по простиранию более 30 км на глубине разработки 500800 м на шахте "Красный Октябрь" позволило снизить частоту внезапных выбросов в 20-35 раз. Общий экономический эффект, достигнутый от внедрения рекомендаций по применению закладки в качестве способа управления кровлей, снижающего выбросоопасность, и уточнению границ защитного действия пластов, составил 2,9 млн.руб. (в ценах до 1990 г.).

Результаты выполненных исследований использованы в "Технологических схемах разработки пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа" [34], "Технологических схемах возведения закладочных массивов, обеспечивающих эффективную отработку запасов под охраняемыми объектами Центрального района Донбасса" [37 ], "Инструкции по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа" [43 ].

5. ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ СОСТОЯНИЕМ МАССИВА ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

Геомеханнческне критерии контроля и управления состоянием массива при проведении горных выработок по выбросоопас-ным пластам [4, 25, 27, 42, 44, 48, 49, 50 ].

Развитие подземного способа добычи угля в сложных горногеологических условиях связано с разработкой новых технических решений, обеспечивающих активное управление геоме-ханическимн процессами в горном массиве.

Геомеханическое состояние и степень выбросоопасности угольных пластов могут быть определены количественными критериями, отражающими силовые или энергетические условия потери устойчивости угольным массивом и возникновения газодинамических явлений.

В общем виде условия потери устойчивости и возникновения внезапного выброса можно выразить следующим обобщающим критерием:

В =<{а ]\'0 + Ь Жу) к1У 2: Я*, (5.1)

где \Ух - показатели, характеризующие соответственно напряженное и газодинамическое состояние пласта; а п Ь - экспериментально устанавливаемые коэффициенты; к^ коэффициент, характеризующий градиент напряжений и давления (энергии) газа в призабойной части пласта, зависящий в основном от типа технологии проведения горной выработки; й^-

критическое значение критерия, при котором происходит потеря устойчивости призабойной зоны пласта и внезапный выброс.

Методика определенна показателей И'д- и 1УХ приведена яише (см.формулы (3.1), (3.3), (3.7), (3.8).

Расчеты и номограммы (рис. б,а), выполненные на основе зависимостей (3.3) и (5.1), показывают, что при одной и той же исходной потенциальной энергии и выбросоопасности массива его реальная выбросоопасность может отличаться во много раз. Наиболее выбросоопасными являются квершлаги и подготовительные выработки, проводимые взрывным способом, для которых показатель 1^/1 у ~ 1. Для очистных выработок значение /о/1^ уменьшается и обычно изменяется в пределах 0,5-0,1» что соответствует снижению их выбросоопасности относительно квер-

ю

♦О

X

20

Ю

Ч*,

9/е, и*.

0,2 1 о Ш '8 & § 3

1! __а 6

"ЮГ

0,1 05 « ! ♦ • 5

0,7 У>

с ю го

Ф«тор горного

О 20 30 « 50

Потекпиалыия выбросоопаоюстъ £я

0 10 20 30 М 50

Потекякальная иыбросоолвсность Вя

• Рис. 6. Номограммы для определения:

а - выбросоопасносги забоя: дифференцированной по факторам газа, горного давления и технологии; б - безопасной глубины выемки /д (сменной скорости подвигами забоя V); в - величины зоны разгрузки

обеспечивающей безопасную выемку пласта

«

шлагов на тех же пластах в 2-10 раз и более. Выброагоплснгк и, пласта можно снизить технологическими способами, уменьшая глубину выемки /¡) (узкозахватные комбайны) или увеличивая глубину зоны разгрузки в краевой части пласта I^ за счет сознания опережающей щели при комбайновом проведении штреков, нпи применением соответствующего способа управления горным давлением в лавах (например полной плотной гидравлической или пневматической закладкой выработанного пространства). Со гласно результатам прикидочных расчетов, примерно в 70-80% случаев комбайнового проведения подготовительных выработок в опасных по результатам текущего прог ноза зонах на шахтах Кузбасса внезапные выбросы угля и газа могут быть предотвращены выбором безопасной технологии подвигания выработки.

При разработке технологического способа предотвращения внезапных выбросов, на основе управления состоянием массива, может быть использован предлагаемый общий критерий (5.1), а также критерии, учитывающие специфику решения конкретных инженерных задач (3.3), (3.5). Предлагаемые критерии могут быть использованы для контроля и управления состоянием массива при проведении горных выработок по выбросоопасным пластам также с помощью автоматизированных систем.

}}'1 0 параметров применения способов пре-догвращения и снижемн: пыбросоопасности в зависимости от гео'' 5^.11" своистз и состояния угольных пластов [4,1 1, 25,27, 34,43,49).

В зависимости от свойств угольных пластов определяющие условия возникновения газодинамических явлений и основные действующие силы (газ, горное давление) могут существенно различаться, а следовательно, должны различаться и способы предотвращения этих явлений. Установлено, что условия применения способов предотвращения газодинамических явленийопре-делякгтея таит.и: физико-механическими свойствами угольных пластов, как прочность угля на сжатие и разрыв, способность угля к газоотдаче и увлажнению, его газопроницаемость. Разработанная нами классификационная таблица знбора области применения способов предотвращения газодинамических явлений с учетом вышеуказанных свойств угольных пластов используется в "Технологических схемах разработки пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа" (раздел 4.13).

Варьируя исходные физические параметры, входящие в критерии выбросоопасности (3.3), (3.5) или (5.1), можно выбрать оптимальные способы предупреждения внезапных выбросов для конкретных горно-геологических условий. Применяя эти критерии, можно оценить основные физические условия возникновения газодинамических явлений по факторам газа, горного давления и свойствам пласта", а также условия достижения безопасности при применении способов предупреждения выбросов, различным образом воздействующих на эти факторы. На основе разработанных критериев рпределяются безоцаснре давление газа, безопасная глубина выемки (сменная скорость подвигания забоя) или необходимая, обеспечивающая безопасность по внезапным выбросам, зона разгрузки призабойной части пласта.

На рис. 6,6 представлен график определения безопасной глубины выемки ^ (допустимой сменной скорости подвигания забоя у) в зависимости от степени потенциальной выбросоопасности пласта Вп и глубины зоны разгрузки Как следует из графика, при В„ - 21 и - 3 м безопасные глубина выемки или сменная скорость подвигания забоя не должны превышать 1,2 м. При той же степени потенциальной выбросоопасности пласта, но при 4 - 1 м безопасная глубина выемки уменьшится до 0,45 м, а при - 5 м возрастает до 2 м.

Необходимая глубина зоны разгрузки в призабойной часта пласта, обеспечивающая безопасную выемку пласта в зависимости от его потенциальной выбросоопасности и применяемой глубины выемки или сменной скорости подвигания забоя определяется по графику рис. 6,в. Например, при В„ ■» 15 необходимая зона разгрузки, обеспечивающая безопасное проведение выработки, составляет 1,1; 1,6 и 3,3 м, при скорости подвигания забоя соответственно 0,6; 0,9 и 1,8 м в смену. При увеличении степени потенциальной выбросоопасности пласта до Вп »34 глубина необходимой зоны разгрузки возрастает до 2,5; 4,7 и 7,6 м при той же сменной скорости подвигания забоя. Из представленных зависимостей следует, что для пластов невысокой (Вп-10), высокой (Вп ■» 30) и очень высокой (Вп-50) степеней потенциальной выбросоопасности, с глубиной выемки 0,9 м все забои выбросо-опасны при 1 м, однако при увеличении до 6 м все забои становятся не опасными по выбросам.

Полученные зависимости и критерии могут быть использованы при создании автоматизированной системы прогноза, днаг-

ностики и управления состоянием выбросоопасного массива с применением ЭВМ.

Определение вероятности внезапных выбросов |.5, 6, 252 491. -----------------

Повышение требований к безопасности ведения горных работ з шахтах приводит к необходимости рассмотрения вероятностных критериев оценки выбросоопасности. Оценка вероятности возникновения внезапных выбросов может быть выполнена на основе использования разработанных аятором геомс хзничесснх критериев определения выбросоопасности и методов теории вероятности и математической статистики.

Если вероятность выброса рассматривать как вероятность достижения показателем выбросоопасности критического значения В*, при котором происходит внезапный выброс, то вероятность выброса X может быть определена как X = 1 — Хв, где Хп -вероятность нахождения в интервале (О, В«) случайной величины Ву имеющей нормальный закон распределения, т.е. вероятность того, что выброс не произойдет.

Значение Хд при нормальном законе распределения определяется следующим образом:

«,"» —г ЯГ*

Ха(0<В<В*)=-^= ( ~ЭГ с~~*г II1 ' Л -

Здесь Ф- нормированная функция Лапласа, численные значения хвторой приведены в соответствующих таблицах; В - среднее значение показателя для участка или шахтопласта; Ов - стандарт,

% = &' ■ гас У $ - хосффициент вариации показателя В для

участка или шахтопласта.

Нсиодьзу« принятые л технике (авиации) оценки безопас-«;!стя, предлагаем следующие количественные критерии классификации пластов (участков пластов) по степени (категории) выбросоопасности: особо опасные - вероятность внезапных выбросов X 2:10'3; опасные - X & !0"5; угрожаемые - X > Ю"7; неопас-»ше-Х< 10?.

Разработан ный вероятностный подход к оценке степени вы-бросоопаспсстя пластов п соединении с компьютерными системами позволяет достаточно просто для практики и на высоком

научно-техническом уровне решать оптимизационные задачи на-нравленного управления состоянием массива, выбирать оптимальные значения параметров технологии ведения работ в очистных и подготовительных забоях, а также наиболее эффективные способы предотвращения газодинамических явлений для конкретных геомеханических условий с минимальной вероятностью возникновения внезапных выбросов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-исследовательской работой, в которой осуществлено теоретическое обобщение и решение крупной научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение и заключающейся в разработке геомеханических основ методов прогноза и снижения выбросоопасностн при подземной отработке угольных пластов на больших глубинах.

Основные научные и практические результаты работы сводятся к следующему:

1. Разработаны геомеханические критерии прогноза и снижения выбросоопасностн при отработке угольных пластов на больших глубинах, синтезирующие результаты экспериментальных измерений напряженного и газодинамического состояния призабойных зон выбросоопасных угольных пластов, физического моделирования процессов разрушения углей на стадиях подготовки и возникновения внезапных выбросов, анализа изменения геомеханических условий проявления выбросоопасностн с ростом глубины по геолого-геофизическим данным. Предложенные критерии позволяют прогнозировать изменение степени и характера выбросоопасностн пластов при увеличении глубин разработки, осуществлять дифференцированный по факторам газа и 1 горного давления, природным и технологическим показателям прогноз выбросоопасностн, выбирать способы предотвращении внезапных выбросов н управления выбросоопасностью забоев, ■ адекватные геомеханическнм условиям разработки, рассчитывать безопасные технологические параметры разработки н параметры противовыбросных мероприятий.

2. Установлены количественные зависимости прочности и характера разрушения угля в объемном неравнокомпонентыом напряженном состоянии, моделирующем прнзабойную зону пласта, от величины действующего максимального и минималь-

1 46

ного (73 главных напряжений, их соотношения <7з/С| и давления газа в пласте. Показано, что под действием пнутрипорового давления газа огибающая предельных кругов напряжений Мора сдвигается и сторону уменьшения напряжений на величину, приблизительно равную давлению газа, особенно заметно снижая прочность в области невысоких значений напряжений сжатия, т.е. в призабойной зоне пласта.

При увеличении напряжений бокового сжатия Оз увеличивается прочность и изменяется характер разрушения угля. При высоких значениях бокового сжатия О3 > 13—18 МПа, соответствующих большим глубинам, происходит переход от хрупкого нли хруттко-пластичесхого вида разрушения угля к пластическому разрушению сдвигом. Это объясняет причину появления на глубоких горизонтах более мощных газодинамических явлений глубинного типа, возникающих при деформациях сдвига.

Установлена возможность управления процессом разрушения угля в призабойной зоне пласта (скважины) путем регулирования, например противодавлением, соотношения минимального и максимального главных эффективных (с учетом давления газа) напряжений. При С & 0,30 разрушения

не происходит.

3. Устанозлсчм . драктерные особенности перераспределения напртгспий к призабойной зоне выбросоопаскых пластов, е»лияюгцпс на иыбросоопасность и состоящие п уменьшении глубины зон разгрузки и дегазации, возрастании коэффициентов концентрации напряжений и градиентов концентрации напряжении в краевой части пластов, усилении скачкообразного характера перераспределения напряжений, возникновении нескольких максимумов концентрации напряжений. Характер изменения напряженного состояния пласта предопределяет аналогичный характер изменения его газодинамического состояния (давления газ?, скорости гаговьыеления) п краевых частях пластов.

4. Показана возможность прогнозной оценки изменения энергии и степени потенциальной выбросоопасности угольных пластов с ростом глубины разработки по геологоразведочным данным. При разработке метода зпервне применена геомеханическая интерпретация гсолого-геофизичесхих данных геологоразведки с целью оценки энергии, устойчивости и потенциальной выбросоопасности угольных пластов в массиве.

Установлена зональная закономерность изменения потенциальной энергии и выбросоопасности угольных пластов с ростом глубины разработки. При увеличении глубины разработки наблюдается волнообразное чередование зон повышенной и пониженной выбросоопасности и изменение соотношений энергии газа и горного давления (изменение типа газодинамических явлений).

На примере наиболее выбросоопасного Донецко-Макеев-ского района Донбасса показано, что первый максимум потенциальной энергии и выбросоопасности угольных пластов достигается на глубинах залегания 750-900 м, вторая зона повышенной потенциальной энергии и выбросоопасности прогнозируется на глубине 1200-1400 м. Выделено три зоны по глубине угольных пластов, характеризующиеся различными соотношениями пластовой энергии газа и упругой энергии пласта. Начиная с глубин 800-1200 м, в зависимости от структурно-физических свойств массива, упругая энергия напряжений в пласте начинает превосходить эффективную пластовую энергию газа.

5. Установлены условия перехода обычных видов разрушения в лавинное самоподдерживающееся разрушение, происходящее при внезапных выбросах угля и газа. Условия возникновения лавинного разрушения количественно определяются критерием, представленным в виде суммы двух безразмерных соотношений между давлением газа, максимальными и минимальными напряжениями сжатия, пределами прочности угля на разрыв и сжатие.

6. Разработаны геомеханическая модель и обобщенный критерий определения выбросоопасности угольных пластов, учитывающие совместное действие основных природных и технологических факторов, влияющих на формирование выбросоопас-ной ситуации в действующих забоях горных выработок и позволяющие не только оценивать степень выбросоопасности, но также рассчитывать безопасные технологические параметры разработки и параметры иротивовыбросных мероприятий. Критерий включает два необходимых и достаточных условия возникновения внезапных выбросов - условие потери устойчивости прнзабойной частью пласта и условие возникновения лавинного самоподдерживающегося разрушения - и представлен в виде трех безразмерных комплексов физических величин, характеризующих давление газа, максимальное напряжение сжатия в пласте, пределы прочности угля на сжатие и разрыв, а также глубийу выемки

(скорость сменного подвигания забоя) и глубину зоны разгрузки в краевой части пласта. Определены количественные значения влияющих факторов и диапазон их изменения. По результатам натурных экспериментальных наблюдений и промышленных испытаний установлены три категории выбросоопасности угольных пластов (участков). При значении критерия выбросоопасности В < 8 угольный пласт или участок пласта относят к 5«: опасным по внезапным выбросам, при Вш 8 - 13 - к опасным, при В > 13 - к особо опасным. Пр>? использовании критерия выбросоопасности В не было ошибок первого рода, а вероятность ошибок второго рода не превышает 0,05.

Обобщенный критерий выбросоопасности дополняет существующие методы прогноза выбросоопасност и пластов в части возможности количественной и дифференцированной по факторам газа и горного давления оценки степени выбросоопасности, выбора и расчета эффективных параметров снижения выбросоопасности, а также управления параметрами геомеханического состояния массива с целью снижения его выбросоопасности.

7. Разработано "Руководство по оценке влияния способов управления горным давлением на выбросоопасность призабойной зоны угольных гтдлстоп п лавах глубоких тахт", основанное на использовании обобшенного"критерия выбросоопасности. "Руководство" прошло про?.', аллейные испытания на шахтах Донбасса, рекомендовано к внедрению и нспользованп при разработке рекомендаций но параметрам применения закладки в качестве способа управления горным давлением, снижающим выбросоопасность угольных пластов шахт Центрального района Донбасса, и при оценке эффективности применения регионального способа снижения выбросоопасности мощным взрывом.

8. Предложен метод определения категории выбросоопас-иегти угольных шахтогшастсв и участкоя по комплексу физических показателей, также основанный на использовании обобщенного критерия выбросоопасности. Метод включает видоизмененный способ оценки газодинамического показателя выбросоопасности (по соотношению количества содержащегося в угле метана и адсорбированной плат). Помимо определения степени выбросоопасности пластоп, он позволяет производить количественные расчеты изменения выбросоопасности под действием применяемых способов предупреждения внезапных выбросов, в том числе к в случае профилактической обработки пластов водными растворами ПАВ. Метод прошел промышленные испытания

на шахтах ПО "Орджоникидзеуголь" и ПО "Донецкуголь", рекомендован к применению. •

9. Установлено, что плотная гидравлическая закладка с определенными регулируемыми параметрами (плотность, шаг закладки, отставание закладочного массива от забоя) позволяет направленно изменять напряженное и газодинамическое состояние призабойной области угольных пластов и снижать их выбросо-опасность. Снижение выбросоопасности происходит за счет увеличения зоны разгрузки и дегазации в краевой части пласта и исключения экстремальных пригрузок и разгрузок кровли. Разработаны технологические схемы и рекомендованы параметры применения закладки в качестве способа управления горным давлением в Центральном районе Донбасса, существенно снижающего выбросоопасность. Внедрение способа управления горным давлением гидравлической закладкой с рекомендованными параметрами при подвигании очистных забоев на расстоянии более 20 км по простиранию на шахте "Красный Октябрь" позволило резко снизить выбросоопасность пластов: частота выбросов уменьшена в 10-25 раз и более, а ряд выбросоопасных пластов переведен в категорию практически невыбросоопасных (отсутствие выбросоопасных зон).

10. Разработаны расчетно-экспериментальные методы и номограммы определения эффективных параметров способов предотвращения и снижения выбросоопасности. Разработан метод определения вероятности внезапных выбросов. Полученные зависимости и критерии используются в инженерных расчетах и открывают новые перспективы создания научных основ автоматизированной системы прогноза, диагностики и управления состоянием выбросоопасного массива с применением ЭВМ.

11. Основные научные и практические результаты работы, связанные с прогнозом выбросоопасности, применением способа ; управления горным давлением закладкой выработанного пространства с параметрами, снижающими выбрсоопасность, выбором и определением параметров применения способов предотвращения газодинамических явлений, адекватных геомеханическим условиям разработки на глубоких горизонтах, вошли составной частью в ряд отраслевых нормативных и методических документов, из которых наиболее важными являются "Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, склонных к внезапным выбросам угля, породы и газа", "Технологические схемы разработки пластов, опасных по внезапным выбросам", "Техно-

логические схемы возведения закладочных массивов, обеспечила тощие эффективную отработку запасов под охраняемыми, объектами Центрального района Донбасга", "Мето.тика выявления выбросоопасиой угольной пачки при текут,ем прогнозе ни-брогооплспости", используются проязйодсп»еннчми и научно-исс-псдоват ельскими организациями, л также при подтотсгчсс п~р-пттг: !тч;тчерпп.

Основные положения и научные результаты опубликовать а следующих работах:

1. Фейт Г.Н. Прочностные свойства и устойчивость выбросоопасных ушльных пластов. ■ М.: Нпуга. !°*6.-78с.

7. Ч'ияи*п-химия газелинамнчеегггх гтлечий и maxia* / П.В."одот, М.Ф.Яновская. ГО.С.Премыслер, Г.Н.Фейг и др. ■ М.: Иду-л, !973. - l^c.

3. Иванов Б.М., Фейт Г.Н., Яновская М.Ф. Механические и физико-химические свойства углей выбросоопасных пластов. - М.: Наука, 1979. - 195 с.

4. Снижение выбросоопасности при динамическом воздействии на угольный массив / Л.В.Докукин, Н.Ф.Кусов, Г.Н.Фейтндр. - М.: Наука, 1985. - 134 с.

5. Фейт Г.Н. Вероятность внезапных выбросов угля и газа в различных горно-геологических условиях П Внезапные выбросы в угольных шахтах. - М.: Недра, 1970.-С. 206-213.

6. Фейт Г.Н. Метод прогноза выбросоопасности угольных пластов по физическим показателям // ФТПРПИ. - 1968. - №2. - С. 23-26.

7. ХсОр'Ч Я Д., Фейт Г.Н. О некоторых свойствах и состояниях прнзабой-!ч>"| i/uaciu vi i'i'-. ",'!мо:;>.г,! •."л-.чыик птзетоз !! Орфсмтопие ¡¡¡ч5""<н ме-

.,„;,. и!1 j"Trj - ;! • /»,. • V, Г <772. - С. J $9-192.

Д. '/'<'.'.1-1 Г. И. Г....; м н.шряд.сшк.го «< ю«иид ппимбчйиой области

с >;.-М! . . .-¡j v :;. -гдис лодио«и.кть впезягоктэ яыброса // Вопр»-'. ; •■>:• ; .).-■ ч rjj-i.-KiU'.n: 1 !лук, Дум!','), I 473. - С 23-26.

XcAi'.-г;: ■ ;<., Г И. Нсследсаннс напряженного состояния иргаа-

ейно"'. oCiütii-. пл'.'С'п.' гидра«üivci.'ciH дятчнкпыи Ii ФТПРПИ. -

197J. - KW. - С. 7-1!.

Mi. фейт '■!!. Ияанол B.C., Ройко Г.К. Исслсдогзнке напрвженного со-с.'кйin'» iii^ipc-cc-ij.ncMi I?: ггольнмх пластов я Центральном районе Донбасса ком-1Ш дччч ?-'С;<)Лом // У топь У*|мш(ы. - 1971. - №12, - С. 37-39.

! 1. и'/сй'п Г.Н. ВчС«£»р к,:';горке» для oiki-kh выбросоопасности угольных пластов и эффективности применяемых защитных меропржпгий // Рудничная и безопасность горных работ: Науч. сообщ. / Ин-т горн, дела им. Л *..Csr-l!>i!i МЧ'О. - '. ■■ J!J.I4. ! 7.1 . - С. И ?f>.

1 i').ü\i> '? й,гч ' ■'/. Мгс/сд^плмие iMpjuCTp^". 30»tw onopmini дзп-лени» i» дальних ¡uucfjJ' !:РГ i'fwfjieww пырячпччскеЛ закладки еырзбеггаи-ного пространства // Тез. докл. IV Всесоюзн. семинара по измерению г.трал:енш\ в массиве горных пород. - Новосибирск, 1974.

13. Гайка Э.И., Фейт Г.Н. Исследование параметров зоны опорного дав» утльных пластах при применении гидравлической закладки Пырзбстан-

H'UO 1!()|':.-;р:ьчЛ!М // и SMppilKT «аир«*CM«ft ~ Г««^"» Торных пород. - Но-оосиЗнргк, СО ЛИ СССР. 1974. - Ч. )!. - С. 47-3\.

14. Фейт Г.Н. Cjhototm no ижергнимняирплений в угольных пластах гидравлическими дат*п;ггми. - M.: Ин-т горн, дела им. А.А.Сквчинского, 1974. -23 с.

15. Фейт Г.Н., Иорель В.К. К вопросу о связи показателя прочности, определяемого динамическим внедрение;-; пуансона, с основными прочностными характеристиками углей выбросоопасных пластов // Рудничная аэрология: Науч. сообщ. / Ин-т горн, дела км. А А.Скочинского. - 1974, Вып. 115.

16. Фейт Г.Н., Рыскин А.М., Броуниипейн ЮМ. Временная методика определения механических свойств углей в забоях горных выработок прочвостно-мером П-1. - M.: Ин-т горн, дела им. А.А.Скочинского, 1975.

17. Гайко Э.И., Фейт Г.Н. Исследование влияния способа управления кровлей гидравлической закладкой на выбросоопасность крутых угольных пластов // Уголь. - 1976. - №6. - С. 27-31.

18. Ходот 11.В., Иванов Е.М., Фейт Г.Н. Внезапные выбросы угля и газа. Пути решения проблемы // Уголь. - 1976. -N210. - С. 13-19.

19. Некоторые результаты натурных исследований температуры угольных пластов впереди очистного забоя / Г.Н.Фейт, Э.И.Гайко, С.М.Денисенко, П.М.Канцан // Тепловой режим глубоких угольных шахт и металлических рудников: Матер. Междулародногосимпозиума.-Киев: Наук. Думка, 1977.-С. 131-134.

20. Некоторые результаты натурных исследований температуры угольных пластов в зоне влияния горных выработок / Г.Н.Фейт, Э.И.Гайко, С.М.Денисенко, П.М.Канцан // Вопросы вентиляции и борьбы с газом и внезапными выбросами в угольных шахтах: Науч. сообщ. / Ин-т горн, дела им. А.А.Скочинского. - 1977. -Вып. 157.-С. 141-144.

21. Фейт Г.Н. О природном поле напряжений газоносных пород // Отражение современных полей напряжений vi свойств пород в состоянии скальных массивов. - АН СССР, Апатиты, 1977. - С. 104.

22. О комплексном методе исследования газоносного массива, опасного по внезапным выбросам / Г.Н.Фейт, Э.И.Гай ко, С.М.Денисенко, П.М.Канцан И Методология измерений напряжений в массиве горных пород. - Новосибирск, 1978.

23. Фейт Г.Н. Результаты моделирования процесса разрушения газоносных углей при внезапных выбросах // Создание способов и средств для разработки выбросоопасных угольных пластов: 11ауч. сообщ. J Ин-т горн, дела им. А.А.Скочинского. - 1978. - Вып. 169. - С. 41-47.

24. Фейт Г.Н. Физическое моделирование разрушения газонасыщенного угля при внезапных выбросах /1 Всесоюзная научная школа. Деформирование и разрушение материалов с дефектами идацдмическис явления в горных породах и выработках: Тез. докл. -М., 1979.

25. Фейт Г.Н. Вероятность выбросов угля и газа о зависимости от устойчивости призабойной зоны угольных пластов и технологии выемки // Вопросы технологии подземной добычи угля исланца: Науч. сообщ. / Ин-т горн, дела им. А.А.Скочинского. - 1979. - Вып. 173. - С. 34-40.

26. Канцан ПМ., Фейт Г.Н. Экспериментальные исследования компонент напряжений в призабойной части выбросоопасного пласта II Способы и средства разработки выбросоопасных угольных пластов: Науч. сообщ. / Ин-т горн, дела им. А.А.Скочинского. - 1979. - Вып. 182. - С. 14-19.

27. Фейт Г.Н. Выбор способов предотвращения внезапных выбросов на основе комплексного критерия потерн устойчивости и лавинного разрушения пласта // Выбросоопасность угольных пластов: Науч. сообщ. / Ин-т горн, дела им. А.А.Скочинского. - 1980. - Вып. 186. - С. 39-46.

2&.ГайкоЭ.И., ФейтГ.Н., Горбунов А.К. Геомеханические основы применения закладки на выбросоопасных крутых пластах Донбасса // Геомеханические проблемы высокопроизводительной разработки тонких л средней мощности угольных пластов на глубоких горизонтах: Тез. докл. - Донецк, 1980. - С. 141.

29. Фейт Г.Н. О критериях разрушения газоносного угольного пласта на стадиях подготовки и развязывания внезапного выброса // Тез. докл. на VII Всесо-юзн. конф. по механике горных пород. -М., 1931. - С. 48.

30. Экспериментальные исследования влияния способа управления горным давлением на напряженное и газодинамическое состояние призабойной области угольных пластов / Э.И.Гайко, Г.Н.Фейт, А.К.Горбунов, П.М.Канцан // Тез. докл. VII Всесоюзн. конф. по механике горных пород. - М„ 1981. - С. 55.

31. Фейт Г.Н. К теории потери устойчивости и разрушения при внезапных выбросах угля и газа // Вопросы внезапных выбросов угля и газа п yixvi.m.ix шахтах: Науч. сообщ. / Ин-тгорн. дела им. А.А.Скочинского. - 1981. - Выи. 195. -С. 19-26.

32. Васючкова Г.К., Фейт ГЛ. Исследование влияния фактора времени и газовой среды на разрушаемость выбросоопасных и нсвыбросоопаснмх углей // Тез. докл. Всесоюзн. науч. конф. вузов СССР с участием няуч.-мсслед. ин-юв. -М.. 1982.

33. Ласючкова Г.К, Фейт Г.Н. Исследование газопроницаемости выбросоопасных углей гысокой степени тектонической нарушенности // Прогноз и прелотррицение газодинамических явлений в угольных шахтах: Науч. сообщ. / Ин-тгорн. дела им. А.А.Скочинского. - 1982. - Вып. 209. - С. 23-27.

34. Технологические схемы разработки пластов, опасных по сиезапным »нбросам угля и газа. - М.: Минуглепром СССР. - 1982. - 256 с.

35. Фейт Г.Н. Исследование влияния способа управления горным давлением на выбросоопасность призабойной зоны угольного ппястя П Исследование свойств и критериев выбросоопасности угольных пластов: Науч. сообщ. / Ии-т горн, дела им. А.А.Скочинского. - 1983. - Вып. 217. - С. 12-18.

36. ГайкоЭ.И., Фейт Г.Н. Влияние закладки выработанного пространства на выбросоопасность угольных пластов // Безопасность труда ■ промышленности. - 1983. - №1.-С. 54-57.

37. Технологические схемы возведения закладочных массивов, обеспечивающих эффективную отработку запасов под охраняемыми объектами Центрального района Донбасса. - М., 1983. - Ч. I, 84 е.. Ч. П, 79 с.

38. Фейт Г.Н. О выбросоопасности угольных пластов на больших глубинах // Борьба с внезапными выбросами: Науч. сообщ. / Ин-т горн, дела им. А.А.Скочинского. - 1985. - Вып. 242. - С. 17-26.

39. Фейт Г.Н. Предельные состояния и разрушение углей яыбрососпасных пластов // Прогноз и предотвращение внезапных выбросов при проведении подготовительных выработок на Еыбросоопасных пласта*: !!вуч. сообщ. / Ин-т горн, дела им. А.А.Скочинского. - 1986. - Вып. 252. - С. 104-113.

40. Фейт ГЛ., Гайко Э.И., Горбунов А.К. Влияние способов управления горным давлением н i выбросоопасность угольных пластов в Центральном районе Д^.басса // Вопросы предотвращения внезапных выбросов: Науч. сообщ. / Ин-т горн, дела им. А.А.Скочинского. - 1987. - С. 107-114.

41. Фейт Г.Н. Некоторые закономерности образования зон разупрочне-разгрузки и дегазации в выбросоопасных пластах впереди забоев очистных

выработок по данным натурных наблюдений // Тез. докл. Всесоюзн. науч. школы "Деформирование и разрушение материалов с дефектами и дина мические явления ■ горных породах и выработках". - Симферополь, 1987.

42. Фейт Г.Н., Калинникова О.Н., СмирноваГ.Г. Геомеханика изменения выб;-осооп..еноон при разработке на больших глубинах // Внезапные выбросы угля н газа, рудничная аэрология: Науч. сообщ. / Ин-т горн, дела им. А.А.Скочинского. - 1989. - С. 14-21.

43. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, склонных к внезапным выбросам угля, породы и газа. - М.: Ин-т горн, дела им. А.А.Скочинского, 1989.

44. Фейт Г.Н., Малинником О.Н. Расчет изменения потенциальной

энергии и прогноз выбросоопасности угольных пластовпри разработке на больших глубинах // Внезапные пыбр<кы угля-и газа, рудничная аэрология: Науч. сообщ. / Ин-т горн, дела им. А.А.Скочинского. - 1990 - С. 23-28.

45. Фейт Г.Н. Некоторые закономерности проявления выбросоопасности при разработке угольны* ¡ыястоя на больших глубинах // VIÍ Всесоюзная научная шкала. Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках : Тез. дохл. - Симферополь, 1990. - С. 201, 202.

46. Зыков B.C., Фейт Г.Н. Методика выявления выбросоопасной угольной пачки при текущем прогнозе выбросооласности. - Кемерово: ВостНИИ. - 1992.-9с.

47. Фейт ГЛ., ГайкоЭ.И., Стариков Г.П. Определение категории рыбро-соопасности угольных пластов по комплексу физических показателей // Внезапные выбросы угля и газа. Рудничная аэрология: Науч. сообщ. / Ин-т горн, дела им. А.А.Скочинского. - 1992. - С. 79-83.

48. ФейтГ.Н. Геомеханические критерии управления состоянием массива при проведении горных выработок по выоросоопасным пластам // Известия ин-та горн, дела им. А.А.Скочинского. - 1992. - Вып. 2. - С. 94-97.

49. Фейт Г.Н. Разработка геомеханической модели диагностики, контроля и управления устойчивостью массива при проведении горных выработок в сложных горно-геологических условиях // Моделирование технологических процессов на угольных шахтах: Научно-техническая горная ассоциация. - М., 1993. -

с, 21-24. . :_________________________________________ . _______________________

50. Фейт Г.Н. Геомеханические критерии устойчивости и разрушения призабойных зон газоносных угольных пластов // X Международная конференция по механике горных пород: Тез. докл. - М., 1993. - С. 73, 74.

51. A.c. 318802 СССР. Устройство для измерения напряжений горных пород в скважинах / В.И.Ковалев, Г.Н.Фейт. - Опубл. в Б.И. - 197Г. - N232.

52. A.c. 470622 СССР. Устройство для измерения напряжений горных пород в скважинах / В.И.Ковалев, Г.Н.Фейт. - Опубл. в Б.И. - 1975. - N218.

53. A.c. 1067227 СССР. Способ гидравлической закладки выработанного пространства при отработке крутых угольных пластов по простиранию / Э.И.Гай-ко, Н.Э.Парамонова, А.А.Леман,Г.Н.Фейт. - Опубл. в Б.И. - 1984. - N22.

54. A.c. N21326738 СССР. Способ борьбы с внезапными выбросами угля и газа / А.А.Борисенко, Г.Н.Фейт. - Опубл. в Б.И. -1987. - N228.

55. A.c. N21765460. Способ предотвращения внезапных выбросов угля и газа / В.Д.Аоров, Г.Н.Фейт, В.С.Бабенко. - Опубл. в Б.И. - 1992. - N236.

5$. A.c. N21788286. Способ определения выбросооласности угольных пластов / А.Д.Алексеев, Г.Н.Фейт, Г.П.Стариков и др. г Опубл. в Б.И. - 1993. - N22. '

Герман Николаевич Фейт ч

ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОГНОЗА И СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСООПАСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада

Подписано к печати 22.02.94 г. Формат 62,5x84. Бум. множит, аппарат. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 2,8. Тираж 100 экз. Изд. N210007 Заказ

Институт горного дела им. А.А.Скочинского, 140004, г. Люберцы Моск. обл. Типография: 140004, г. Люберцы Моск. обл.