автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Научное обоснование и разработка безопасных методов ведения горных работ в соляных породах в условиях газовыделений и газодинамических явлений



Министерство высшего и среднего специального ооразования

РСФСР

Ленинградский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени горный институт имени Г. В. Плеханова

Специализированный совет Д.063.15.11

ПОЛЯНИНА Генриетта Даниловна

УДК 622.817.4 + 622.831.32

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА БЕЗОПАСНЫХ МЕТОДОВ • ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ В СОЛЯНЫХ ПОРОДАХ В УСЛОВИЯХ ГАЗОВВДЕЛЕНИЙ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

Специальность 05.26.01 - "Охрана труда и пожарная

На правах рукописи

безопасность"

Автореферат -

диссертации на соискание ученой степени доктора ■7 технических наук :

Ленинград 1990

Работа выполнена в Пермском политехническом институте

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор БИЧ Я.А. доктор технических наук, профессор НОЖКИН Н.В. доктор технических наук, профессор ШУВАЛОВ С.В.

Ведущая организация - Институт проблем комплексного освоения

недр (ИПКОН) АН СССР

Защита состоится "_"_;_ 1990 г. в "_" час.

на заседании Специализированного Совета Д.ОЬЗ.15.11 при Ленинградском горном институте им.Г.В.Плеханова по адресу: 199026, г.Денингред, 21-я линия, дом 2, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ленинградского горного института имени Г. В. Плеханова

Автореферат разослан " "_ 1990 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета Д.063.15.11

доцент, кацц.техн.наук

СЩ^^р'!" Р.М.Проскуряков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В СССР разрабатывается несколько месторождений калийных солей - Верхнекаиск'ое, Старобинсков, Калушекое и др., разведано подземными горными выработками Ин-дерское борно-калийное месторождение. Ведение горных работ на этих месторождениях осложнено газопроявлениями. При освоении новых шахтных полей с изменившимися горногеологическими и технологическими условиями разработки появились непредвиденные опасности, связанные с природными газами соляных пород: газодинамические явления из вмещающих пород, повышенные выделения ядовитых газов в тупиковых механизированных забоях и т.д. Эти газопроявления опасны для здоровья и жизни забойных горнорабочих возможностью отравления газами, травмирования породой при её выбросах, вспышек и взрывов газовоздушных смесей. Из-за остановок забоев снижается производительность комбайновых комплексов, расходуются средства на ликвидации последствий выбросов и обрушений, ухудшаются технико-экономические показатели работы рудников.

При анализе состояния решения проблемы обеспечения безопасных условий труда в условиях газопроявлений выяснено, что недостаточно изучены особенности газоносности соляных пород, применяются различные методы её определения, не изучена газоносность пород новых месторождений и шахтных полей; не выявлены причины загазования тупиковых механизированных забоев ядовитыми газами и для них не разработаны меры по обеспечению безопасных условий труда; существующие методы прогноза и предотвращения газодинамических явлений из кровли сильвинитовых пластов недостаточно эффективны, а для условий выбросоопасного кар™ наллитового пласта и соляных пород Индерского месторождения до наших исследований вообще не были разработаны.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной крупной научной проблемы обеспечения безопасных условий труда при отработке газоносных и опасных по газодинамическим явлениям соляных пластов, что имеет важное народнохозяйственное значение.

Диссертационная работа является обобщением НИР, выполненных в период 1965-1989 г.г. автором и при её участии, а с 1972

по 1989 г.г. - под её руководством. С 1981г. исследования проводились в рамках КНТП Минвуза РСФСР " Человек и окружающая среда " (1981-бЗг.г. - темы 2.7.31 и 2.7.32; 1984-85г.г«

- темы;3.2.1.6 и 3.2.1.12; 1985-90г,г. - теш 03.01.04.27 и 03.02,02.20; 1987г. - темы - 03.02.03.12 и 03.02.03.13; 1988г.- тема 03.02.01.44); №№ ГР 81029272, 81087263, 0186006218?, 018660049995 и др.

: Цель работа ~ повышение безопасности горных работ в соляных породах в условиях природных газовыделений и гаэоди-иамических явлений.

Основная идея работы заключается в использовании выяв-Лвнныхособенноотей газоносности соляных пород и газодана-шргвскихявдвний в калийных рудниках для разработки комплек-оашр борьбы с опасньши газовыделениями, методов прогноза и предотвращения внезапных выбросов и газодинамических обрушений. Задачи исследований:

- иаучить факторы. определяющие газоносность соляных пород;

- разработать методы определения газоносности;

г изучить газоносность пород новых шахтных полей и распределение газов в массиве;

- исследовать.природные газоввделения;

разработать безопасные методы ведения горных работ в условиях повышенных выделений ядовитых газов;

- изучить фактические данные по газодинамическим явлениям в калийных рудниках; .

. - выявить особенности и изучить механизм газодинамических явлений;

- обосновать и разработать методы прогноза газодинамических ■.явлений;/";:'"', .'•■.'• ''^Ч'"'-/ ' /

- обосновать и разработать методы предотвращения газодинамических явлений. * У'^УК^Л у'.У

Метода исследований. В работе использован комплекс методов, включающий изучение, анализ и обобщение результатов исследований, выполненных по изучаемой проблеме^ фактических / данных рудников по газовццелениям и газодинамическим явлениям, лабораторные и иахтные эксперименты, приборные и инстру-

ментальные измерения и наблюдения, научное планирование экспериментов и статистическая обработка их результатов, теоретические исследования, участие в расследованиях случаев газодинамических явлений, опытные и опытно-промышленные испытания рекомендованных мероприятий, их технико-экономическая оценка.

Основные защищаемые научные положения

1. Газы в соляных породах находятся в локализованных скоплениях трех видов: в порах ( в кристаллах и между ними), мезду слоями и в геологических "трещинах и кавернах.

Неравномерность газоносности ярко выражена, различна и связана с особенностями строения соляного массива. Обычная газоносность однородного массива обусловлена рассеянными поро-выми газами (0,1 - 2 м3/м3)} повышенная газоносность выбросо- . опасных участков связана с гнездовыми скоплениями поровых газов (3-40 м3/м3); газоносность слоистого массива определяется слоевыми скоплениями газа ( до 100 м3), трещиноватого массива - очаговыми скоплениями (до 2000 и3 и более).

2. Максимальное,количество сероводорода содержится в порах кристаллов пестрого сильвинита Верхнекаыского месторождения. Загазование тупиковых комбайновых выработок сероводородом происходит вследствие мелкого измельчения руды, недостаточного количества воздуха и его запыленности, способствующей удержанию газа в воздухе, неэффективности нагнетательного способа проветривания и др.причин.

3. Безопасные условия труда в тупиковых комбайновых выработках с повышенным выделением сероводорода могут быть обеспечены комплексом мер: технологических (расположением подготовительных выработок в менее газоносных слоях, уменьшением длины камер и др.), вентиляционных (применением комбинированного способа проветривания и др.) и специальных (применением изолирующе-регулирующих ограждений в призабойном пространстве и пылегаэопоглотителей в отсасывающих трубопроводах). .*

4. В калийных, рудниках наибольшую опасность представляют две группы газодинамических явлений: внезапные выбросы породы и газа из разрабатываемого пласта и газодинамические обрушения ( и явления комбинированного типа) из вмещающих пород.

- 5 -

Потенциально выбросоопасные участки массива представляют собой газопородные агрегаты, характеризующиеся повышенной пористостью, газоносностью и упругостью и при пониженной прочности высокими уровнями напряженно-деформированного состояния й внутренней энергии, обеспечивающих возможность саморазрушения и выброса породы.

Опасными по .газодинамическим разрушениям являются участки слоистой кровли, содержащие слоевые скопления газа, являющиеся разрушающей пригрузкой в условиях ярко выраженной ани-еотропии газодинамических и деформационных свойств. Другой фактор, определяющий возможность разрушения соляного слоя -наличие высоких горизонтальных сжимающих напряжений под глинистым слоем.

5. Критерием прогноза газодинамических явлений должен быть комплексный показатель, учитывающий уровень напряженного состояния участка, сформированный под действием всех влияющих факторов, либо показатель, коррелирующий со степенью выбросоопасности пород. Этим требованиям для прогноза выбросоопасности удовлетворяют критерии и основанные на их использовании акустический и радиометрический методы, а также методы, использующие геологические признаки; для прогноза газодинамических обрушений - критерии, оценивающие состояние приконтурного массива по характеристикам импульсов акустической эмиссии, и использующий эти критерии сейсмо-акустический метод.

6. Способы предотвращения газодинамических явлений • должны целенаправленно воздействовать на результирующий фактор опасности - уменьшать уровень напряженно-дефорлшрованно- . го состояния и внутренней энергии опасного участка.

Этим требованиям при предотвращении выбросов удовлетворяют предварительное нагнетание воды в пласт в режиме гидрорыхления (гидроразрыва), либо торпедирование, либо создание опережающих разгрузочных щелей по контуру будущей выработки; при предотвращении газодинамических обрушений кровли -одновременное с проведением выработки создание в кровле вертикальной разгружшоще-дегазационной щели с помощью комбайна, оснащенного щелерезом.

- б -

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается соответствием обоснованных физических моделей реальным процессам загазо.вания тупиковых забоев и развития газодинамических явлений, сопоставимостью теоретических представлений и результатов экспериментальных исследований ( более 1400 определений газоносности, 2000 акустических и радиометрических измерений, 150 опытов по разрушению образцов при нагнетании воцы и рассола и др.; расхождение теории и практики не превысило 10-20 %), положительными результатами опытных и опытно-промышленных испытаний методов . прогноза и предотвращения газодинамических явлений и комплекса мер по борьбе с сероводородом в тупиковых забоях, принятыми и используемыми в производстве результатами по обеспечению безопасных условий труда; включением результатов исследований в нормативные документы, являющиеся дополнениями к "Правилам безопасности положительными результатами их внедрения

на предприятиях производственных объединений "Уралкалий" и "Сильвинит", Индерской геолого-разведочной экспедиции.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- установлены особенности распределения и нахождения газов в соляных породах, различная качественная и количественная неравномерность газоносности, зависящая от геологического строения массива;

- разработана классификация природных газов, позволяющая объяснить причины опасных гаэовыделений и газодинамических явлений;

- установлены причины повышенных выделений сероводорода и за-газования тупиковых забоев и обоснован комплекс технологических, вентиляционных и специальных мероприятий по обеспечению безопасных условий труда;

- разработана новая классификация газодинамических явлений на основе их механизма и с учетом технологических факторов, показывающая необходимость дифЬеренцированного подхода при выборе мер борьбы с ними; '

- разработаны физические модели газодинамических явлений, позволяющие обоснованно выбирать критерии и методы прогноза и

- 7 -

предотвращения этих явлений;

- обоснованы критерии и разработаны новые методы прогноза вы-бросоопасности соляных пород (радиометрический, акустический и геологический) и сейсмоакустический метод прогноза газодинамических обрушений кровли;

- обоснованы критерии и предложены способы предотвращения газодинамических явлений, направленные на уменьшение уровня напряженно-деформированного состояния и внутренней энергии опасных участков массива: впервые для предотвращения выбросов соляных пород разработан метод нагнетания воды в пласт в режиме гидроразрыва и обоснована возможность применения торпедирования и опережающих разгружающих, щелей по контуру будущей выработки: для предотвращения газодинамических обрушений разработан новый метод, заключающийся в создании в кровле выработки одновременно с её проведением вертикальной рг-згрузочно-дега-зационной щели.

Личный вклад автора:

- основная идея работы, постановка всех задач исследований и разработка методологии и методик их решения;

- разработка теоретических положений исследования вопросов га-.зоносности соляных пород (давления, фазовых состояний, сорбции);

- классификация природных газов;

- разработка принципов и комплекса мероприятий по обеспечению нормальных санитарно-гигиенических условий труда в тупиковых забоях в условиях выделений ядовитых газов;

- классификация газодинамических явлений;

- разработка физических моделей газодинамических явлений;

- обоснование методов прогноза газодинамических явленнй, методическое обеспечение при их исследовании и участие в шахтных исследованиях;

- обоснование принципов и способов предотвращения газодинамических явлений, методическое обеспечение при их исследовании и участие в шахтных исследованиях;

- идеи технологических решений с использованием разработанных способов предотвращения газодинамических явлений.

- 8 -

Практическое значение работы:

- разработаны методики определения газоносности соляйых пород, нашедшие применение при изучении газоносности пород пяти новых шахтных полей в течение 20-тк лет. Данные по газоносности используются при расчете вентиляции и разработке мероприятий по безопасному ведению горных работ; ' ' .

- установлены причины загазования тупиковых выработок серово-. дородом и разработан комплекс мер по обеспечению безопасных условий труда;

- выявлены две группы различных по природе, наиболее распространенных и опасных газодинамических явлений (внезапные выбросы и газодинамические обрушения) и показана необходимость применения неодинаковых методов их прогноза и предотвращ&ния;

- разработаны радиометрический и акустический методы и аппаратура для прогноза выбросоопасности, а такие геологический метод (Кндерское месторождение), разработан сейсмоакустическнй метод для прогноза газодинамических обрушений;

- обоснованы и разработаны эффективные и технологичные способы предотвращения выбросов породы и газа и газодинамических обрушений.

Реализация работы. Разработанные методики определения газоносности пород использованы при изучении газоносности-пород пяти новых шахтных полей в течение 20-ти лет. Полученные данные используются при расчете вентиляции и обосновании мероприятий по безопасному ведению горных работ (напретлр, при обосновании возможности применения комбайнов и др.) и г-клкпгодись в нормативные документы, являющиеся дополнением к "Правилам безопасности ... " - "Временную инструкцию по безопасной отработке пластов, опасных по внезапным выбросам соли и газа, на Верхнекамских рудниках" 1973; "Временную инструкцию по безопасной отработке пластов, опасных по газодинамическим явлениям" 1973; "Специальные мероприятия по безопасному ведению горных работ на Верхнекамском месторождении. в условиях газового режима" .1983. ... " ' V'.'-'4 "

Рудниками ПО "Сильвинит" йспользуртся. "Методикаопределения газосбильности выработок по сероводороду" и "Рёиомен-

дации по определению производительности комбайновых комплексов в условиях выделения природных ядовитых газов", часть рекомендаций по обеспечению безопасных условий труда в условиях повышенных выделений сероводорода.

Разработанные методы прогноза применялись на Индерском и Верхнекамском месторождениях и находят применение в настоящее время в зависимости от конкретных ситуаций.

Технологические решения по безопасной отработке пластов, опасных по газодинамическим явлениям, включающие разработанные меры их профилактики, приняты к внедрению (разгружающе-дегазационны® щели) или находятся в стадии шахтных испытаний (по карнашпиу).

Результаты исследований в течение 20-ти лег используются в Пермском политехническом институте при подготовке будущих горных инженеров для работы на калийных рудниках страны. " ' Апробация работа. Научные положения и основные результата ' исследований доложены и обсуждены на конференциях и совещаниях: на Всесоюзных научных конференциях вузов СССР с участием научно-исследовательских институтов по физике горных пород и процессов (Москва,,1967, 1969, 1971, 1974, 1977, 1987 г.г.}; Всесоюзных конференциях по проблемам охраны труда (г.Иваново, 1969 и г.Казань, г.Кишинев, 1974); Всесоюзной конференции по борьбе с внезапными выбросами угля, пород и газа (г.Донецк, 1972); Всесоюзных совещаниях по комплексному освоению бог&т-; ств Индерского района (п.Индер Гурьевской обл. 1971 и 1973г.гО .Всесоюзных солевых совещаниях (г.Новосибирск, Академгородок, 1974 и 1979 г.г., р.Лиманчик, 1984г.); Всесоюзный научно-технической конференции "Исследование, прогноз и контроль проявлений горного давления" (г.Ленинград, 1982 г.); на 1У и У Всесоюзных семинарах по горной геофизике (г.Боржоми, 1987 г., г.Телави, 1989 г,)| на Всесоюзном совещании работников Госгор-технадзора СССР с растаем неучно-исследовательских организаций (г.Березники» 1987.г*) {Всесоюзной конференции по измерению напряжений в массиве (г.Новосибирск, 1987 г.),(5руноо, • 1983 г.); Всесоюзной, конференции по механике горных пород (г.Фрунзе, 1989 г.), на координационных совещаниях по проблеме газодинамических явлений и аэрологии калийных рудников . - 10 - -.у.

(г.г.Ленинград, Березники, Соликамск - с 1971 - 1988 г.г.), на технических совещаниях производственных объединений "Урал-калий", "Сильвинит", калийных производственных рудоуправлений (Березники, Соликамск, 1967-1989 г.г.).

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 30 работах, включающих 3 монографии, I конспект лекций и 3 авторских свидетельства.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, б разделов и заключения, изложена на 364 страницах машинописного текста, включая 102 рисунка, 41 таблицу и библиографический список из 280 наименований.

Работа выполнена на кафедре разработки месторождений полезных ископаемых Пермского политехнического института. В выполнении работы в разные периоды участвовали сотрудники и аспиранты кафедры, а также студенты. Всем им автор выражает искреннюю благодарность.

Основное содержание работы

Соляные породы большинства калийных месторождений газоносны. Газоносность пород Верхнекамского месторождения и газовыделения в горные выработки двух первых рудников Соликамского и Березниковского (СКРУ-I и БКРУ-1) в 30-60 г.г.изучали Ю.В.Морачевский, А.А.Черепенников, М.П.Фивег, Н.М.Пономарев, З.Н.Несмелова, А.Н.Дударев, В.В.Дьяков, Т.Н.Ефремова, В.П.Шатов, И.И.Медведев и др. В 60-60 г.г. вступили в строй действующих два Березниковских (БКРУ-2 и БКРУ-3) и два Соликамских рудоуправления (СКРУ-2 и СКРУ-3), четыре рудоуправления на Старобинском месторождении, построена подземная разведочная шахта на Индерском борно-калийном месторождении. В новых рудниках изменились не только горногеологическиэ условия, но и технология ведения горных работ - началось внедрение механизированных способов добычи с применением при камерной системе разработки проходческо-очистных комбайнов. Пре?ашм буровзрывным способом отрабатывается лишь выбросоопасный карналлитовый пласт В в рудниках СКРУ-I и ЕКРУ-1.

В новых условиях разработки возникли непредвиденные опасности , связанное с природными газами; газодинамические

- II -

из вмещающих пород при комбайновой выемке сильвинитовых пластов (первый же такой случай в 1966 г. на БКРУ-2 привел к гибели человека), иногда из забоев и стенок выработок, позднее-повышенные выделения сероводорода, приводившие к загазованию тупиковых комбайновых выработок и токсическое воздействию на людей. Очевидной стала необходимость исследования газоносности пород новых шахтных полей, закономерностей газовыделений и причин заГазовадая забоев, природы и механизма газодинамических явлений и разработки мероприятий по обеспечению безопас-. ных условий труда.

Анализ результатов ранее проведенных исследований советских и зарубежных ученых показал, что исследователи применяли разные методы определения газоносности, их результаты несопоставимы. Неясен вопрос о давлении газов в массиве, формах их нахождения и связи с массивом, сорбционных свойствах соляных пород.

Проблему внезапных выбросов соляных пород и газов в 5070 г.г. активно изучали ученые ГДР Гимм, Духров, Экарт, Марг- . раф, Тома, Мюллер, Вольф, Винтер и др., представления которых основывались на особенностях проявления выбросов в бассейнах Верра и Южный Гарц при ведении горных работ буровзрывным способом. Ими был обоснован механизм внезапных выбросов, разработаны методы их прогноза и управления величиной выброса и комплекс организационно-технических мероприятий по обеспечению безопасности подземных трудящихся. Частично разработки немецких ученых были использованы в наших исследованиях.

В СССР проблему газодинамических явлений в калийных рудниках изучали Ю.В.Морачевский, A.A.Черепенников, М.П.Фи-вег, Ф. <5. Пермяков, И.И.Медведев, В.П.Шатов, Н.М.Проскуряков, О.В.Ковалев и др. Их работы внесли существенный вклад в развитие представлений о закономерностях и механизме развития этих явлений, а разработанные рекомендации нашли применение при разработке пластов, опасных по газодинамическим явлениям. Однако, при изменяющихся геологических и технологических условиях разработки мероприятия, применяющиеся при отработке сильвинитовых пластов (дренажное бурение в кровле выработок

- 12 -

и барокон.троль как метод прогноза), не всегда эффективны, а на карналлитовом пласте только планируются к внедрению.

В связи с проведенным анализом очевидно, что проблема обеспечения безопасных условий труда в условиях опасных газо-выделеиий и газодинамических явлений остается весьма актуальной. Решение её автором диссертации осуществлялось в соответствии со сформулированными выше задачами. . "_

Для решения задач, связанных как с опасными газовыделениями, так и с газодинамическими явлениями, необходимо иметь достоверные знания о газоносности соляного массива (количестве газа, содержащемся в единице массы или объема породы в пластовых условиях, и его составе). Состав газа Вэрхне'камского месторождения был примерно известен. Основные компоненты - СН^, Н^, , в меньшем количестве присутствуют ТУ, СО^, Нг5 , в незначительном - Аг , Не и др. Очевидно, что содержание газа в породе определяется ее пористостью, давлением газа, наличием или отсутствием сорбции газов породой, фазовым состоянием газовых смесей. Этот комплекс влияющих факторов был нами исследован и использован для оценки возможной газоемкости соляных пород.

До наших исследований имелись лишь скуднке сведения о пористости и газопроницаемости соляных пород и вообще не было . данных по выбросоопасным породам.'Наш были проведены лабораторные исследования пористости и газопроницаемости образцов пород Верхнекамского и Ивдерского месторождений, в том числе и выбросоопаскых (каменной соли,'Сильвинита, карналлита) стандартными методами - всего около 400'"образцов. Нами было определено изменение пористости образцов в пределах от 0,7Г-4,86 %, при этом выбросоопасные породы Ивдерского месторождения имеют пористость до 2,62 %, а в среднем I - 2 %. Пористость выбросоопасных пород выше 2 % и, с учетом более поздних данных Н.М.Проскурякова, может достигать; 17 - 20 %. Газопроницаемость однородных соляных пород весьма низка и по нашим данным, составила . (1,7 - 6,9)' 10 мкм*% Выявлено не только количественное, но и качественное различие в пористости выбросоопасных и неопасных пород: доля закрытых пор в них составля-

- 13 -

ет, соответственно до 70 % и до 50 %. Исследования шлифов, изготовленных из образцов пород Ивдерского месторождения, под микроскопом, выполненные в сотрудничестве с нами Я.Я, Яркемским, показали, что выбросоопасные породы содержат большое количество закрытых субмакропор и макропор с размерами от 0,015 мкы и более, в то время как неопасные породы . имеют лишь видимые поры и трещины (более 200 мкм) и в значительно меньшем количестве.

Первые исследователи газоносности соляных пород высказывали мнение, что давление газа в пласта может достигать 5 Ша. Нами впервые было измерено давление газа в пласте, впереди забоя за зоной опорного давления при гидроразрыве ; карналлитового пласта (при образовании трещины, не имеющей" выхода на поверхность майсива), оно достигало 8,8 - 9,2 МПа. Расчеты показали, что давление газа в массиве достигает 20 .Ша и более. Если считать, что это давление соответствует величина дитостатических напряжений, то это означает, что эти напряжения значительно превосходят величину ^Ц .Газоносность породы при этом может достигать 40 ы3/м3.

При оценке давления газовых пузырьков, содержащихся в кристаллах, были использованы данные работ Н.К.Чудинова, В.А. Лоськова, 0.И.Петриченко, В.М.Новалевича, определивших, что избыточное давление газа в кристаллах может составлять от 0,3 до 30 МПа. Характерно, что максимальные значения давления -10 - 30 МПа - определены Н.К.Чудиновым для молочно-белого сильвина, что, как выяснилось позднее, объясняет повышенное содержание в нем внутрикристаллических газов, в том числе сероводорода, и приводит при измельчении этих кристаллов к загазовали ям забоев.

Пластоеые условия отличаются от атмосферных не только давлением, но и температурой. Наш произведена теоретическая оценка, возможности нахождения газовых смесей в жидком и твердом (гидратном) состоянии методом Г.С.Степановой, а также Гривса и Тодоса. Установлено, что газовые смеси с большим содержанием CQg могут находиться в массиве Верхнекамского месторождения в жидком состоянии, в остальных случаях - лишь в

- 14 -

газообразном. Газы Индерского месторождения, представленные на 90 - 98 % метаном, могут в определённых условиях находиться в гидратном состоянии. Газоносность породы при этом может достигать 51 м3/м3.

. Сорбционные свойства соляных пород изучали в лабораторных условиях по методике И.Л.Эттингера. Были исследованы 9 типов соляных пород ( и одна проба угля Кизеловского бассейна - для сравнения) по отношении к СН^ и С0-> при атмосферном давлении и давлениях от 0,5 до 3,0 МПа. Установлено, что соляные породы обладают сорбционными свойствами, хотя и значительно меньшими в сравнении с углем (в 10 раз). При возрастании давления до 2 МПа сорбция резко возрастает, а затем увеличивается незначительно. Экспериментально был изучен механизм сорбции. Установлено, что сухие чистые соли не сорбируют газы. В массиве газы сорбируются органическими и другими примесями породы ( в частности, галопелитами) и растворяются в породной влаге. Максимальная сорбционная углекислото-ёмкость составляет 24 м3/м3, метаноемкость - 12 - 16 *Р/и3.

Таким образом, полученные нами значения газоеккости в какой-то мере объясняют объемы газовыделений при выбросах породы, по разным данным составляющие от 22 до 100 мэ/м3.

Приняв предварительную классификацию природных газов на'свободные и связанные (остающиеся в породе), мы разработали методики определения газоносности по свободным и свя-заннам газам. Газоносность породы при этом определится как суммарное содержание свободных (Цсе> и связанных ЦС6Я5 газов.

Осьопределится как объем свободных газов, выделившихся из загерметизированной части свежепробуренного ппура, отнесенный к объему дренированной зоны.

Дебит газовыделения из шпура в момент времени Т^ определяется по формуле пи Ас л т

ЧГ > (2)

где Р - давление газа, установившееся а шпуре за время Т{_ , мм.рт.ст.; V - суммарный объем загерметизированной части

- 15 -

шпура и трубки герметизатора, м3.

Процесс газовыделения из шпура удовлетворительно описывается зависимостью : - аТ-

яг %е о)

. где - начальный дебит газовыделения, а. - коэффициент, (равнение рассчитанных по формуле (3) и экспериментальных данных показало их различие на 0,8 -9,2 %. Количество вьщелившегося газа.определится в результате интегрирования Функции (3) л 7* -аТ,- а„ , лт-

: '¿Т; (4)

Размер зоны дренирования вокруг шпура был определен зкспери- : ментально р шахтных условиях и теоретически.

Разработана программа расчета газоносности породы на ЭВМ. '

Дня определения газоносности образцов ' ( <3 связ ) был выбран Метод растворения их в горячем водном соляном'растворе и разработана установка, позволяющая получать достоверные данные не только по количеству, но и по составу газов, так как исключалось попадание в пробу воздуха. Объем выделившегося при растворении газа определяется по формуле *■' ;п (5)

где - атмосферное давление; лР - показание манометра на установке; - объем газа в мерной емкости при темпера-ауре 75°С к давлений (Р1-дР ); Т|- температура окружающей среды, °К; 1Уп - объем паров раствора в мерной емкости; температура раствора, °К.

Газоносность образца определится как отношение объема выделившегося газа к его массе или объему.

Данная методика нашла применение при изучении газоносности пород Верхнекамского и Индерского месторождений в течение 20 лет. Проведено более 1400 определений газоносности. Данные по промышленным пластам проведены в табл.I.

При изучении газоносности одновременно изучалось и распределение газа в промышленных пластах и вмещающих породах. Установлено, что неравномерность газоносности по пластам, слоям, их мощности и площади различна и зависит от особеннос-

- 15 -

Таблица I ГАЗОНОСНОСТЬ СОЛЯНЫХ ПОРОД

Порода, пласт Газо-нос- Ш. от/ ло Состав газов. % по объему, от / до

% сн4 ТУ С02

Верхнек&мское Свободные

место газы

рождение

Карналлит

Сильвинит Б

Красный П

Карналлит

Сильвинит Б ■

А

Красный П

0,04 ЗЩ

0.04

,0,02 2732

-9,80

5570"

0.04

0.58 1773

0.01 0.20 20.50 3.7В 132 ТЗ^ЗЩБОЧ^З С в я з а н н ы'е

7.5 ^755

42.70 7о?НТ 28.75 5ЭД5

2.01 2*72

7712 2.35

0.031 07212 0.029 иЛБЗ 0.02 ОД24

3.70 ОТ 7.21 9773 7.94 12^75'

3.16 "5772

2.14 372и

0.90 27ВЗ 0.91 Т735

2725 0.07 0.11 0.14

и?зз

0,04 ЪЩ

0.14 Т7Б5 0.01

0.02 ити

газ 11.58

2.37 4,51 1.92 5715 1,79

52,00

НОТ

15.70 Ф^ГО

ш 'ш

74.68 9Т7Ш 00.72

78.53 ВДЗ

Не опр.

0.0000 О'ОООГ

о;ооооо

О ООООЬ

о.ооом

Не опр.

0.0001 О 1400 0.0000 0 0700 0.0000 ида

Йндерское месторождение

Каменная соль

Выбросо-

неопасная

Выбросо-

опасная

рудное тело

Каменная соль;

Выбросо-

неопасная

Выбросо-

опасная

Свободные газы

0.00 27Ш 2,9 ТТ75 0,24 ТГ75 С в

Рудное тело

0.0Н

итш

0.045 £"127

0,05

пТш

2,48 12122 92,16 96,04 98 ЛЯ 73,53 86,39 2,48 Ь 12 0,72 0 9У 0,93 2 73 — 0.56 37Й 0.83 Т715 9.24 22ий Не опр. п

язанные газы

4.08 77Ш 5.72 11735 № Ста 1.96 272? 80,05 Ь8<ЬЗ Не опр.

4.69 7755 6,06 10705 _ 1,29 2)67 77,84 Ь5,Ь4

7,92 Ц^ЗВ 29.0 3§773 0,25 0,4о 3,69 11,2У 41,05 Ь6,69 —

тсй теологического строения массива. Газоносность обычной однородной порода массивного строения определяется рассеянными п р ров ы м и газами (0,1 - 0,3 м3/м3), выбросооп'асной -р Н « э д о вы м и скоплениями паровых внутри - и ««кристаллических газов (до 40 - 50 м3/м3), слоистого глино-соляного массива - наличием слоевых скоплений свободного газа объемом от 0,1 до 100 м3. Трещиноватые участки массива оодеркат очаговые скопления газа объем до 2000 m®(h более).

На основании исследований газоносности разработана классификация природных газов (рисЛ). Она позволяет видеть особенности газоносности соляных пород и причины опасных газовыделений в горные выработки, обоснованно подходить к оценке роли газа в газодинамических явлениях.

За счет газов, находящихся в открытых порах породы, происходят обычные газовыделения. Более крупные локализованные скопления (слоевые, очаговые) - причины с у ф -л я р н ы х газовыделений, а также газодинамических явлений, связанных с разрушением породы под действием давления этих газов. Высокая степень насыщенности породы поровыми газами, находящимися под большим давлением, - одна из основных причин её выбросоопасности и повышенных газовыделений • при выбросах породы. •

Эти виды газовыделений в условиях Верхнекамского месторождения были известны, но впервые установлены и исследованы нами на Ивдерском месторождении, где выработки сечением 2x2 и 3 х 2 м^ проводились лишь буровзрывным способом. Установлено, что наибольшую опасность в условиях этого месторождения представляют суфлярные газовыделения и внезапные выбросы. Разработанные нгми мероприятия по обеспечению безопасных условий труда в условиях суфлярных газовыделений не отличаются от известных и в диссертации не рассматриваются, а в условиях выбросоопасности - рассмотрены ниже.

При изучении газовыделений в рудниках Верхнекамского • месторождения была определена наибольшая опасность обычных выделений сероводорода в тупиковых комбайновых забоях сильвини-

- 18 -

I I

3 ЛОКАЛИЗОВАННЫХ

СКОПЛЕНИЯХ

внутрикристаллическне

X

X.

ме:хк 011С талличес кие

X

межслоевые

(слоевые)

в микропсрах

переходных порах

а субмакропорах}-'

в макооловах

3 видимых трещинах

одноразовые

гЕ>

ЧП

двухразовые

■Л

трехфазовые

Гл.Т

±

РАССЕЯННЫЕ | ГНЕЗДОВЬЕ | __ *

X

1_Х

СВЯЗАННЫЕ ( {СВОБОДНЫЕ }-

| растворенные "1 | сорбированные |~я-

Рис.1. Классификация газов соляных пород.

8 8

& т

к о я

«5 Я) А

н о н о

К Й X о

о ч о ц

к е ь: о

0) ей

ж X

в геологических кавепнах

ОЧАГОВЫЕ

по величине э

скопления. :•! * '

ШКРО - 0,001

МИШ - 0,001 - 0,1

МАЛЫЕ - 0.1 - 1,0 }

СРЩИЕ - 1,0 - 10

КРУПНЫЕ - 10 - 100}

ОЧЕНЬ КРУПНЫЕ

100

товых пластов АБ и Вс и двух видов газодинамических явлений -из карналлитового пласта В,'отрабатываемого буровзрывным способом, и из вмещающих пород (в основном кровли) при отработке сильвинитовых пластов АБ и Красный П. Эти опасности, в основном, и исследованы в данной работе.

Присутствие сероводорода в сильвинитах Верхнекамского месторождения известно давно и нами с 1959 г. (БКРУ-2) фиксировалось наличие этого газа в рудничной атмосфере, не превышающее предельно-допустимую концентрацию (ГЩК), Проблема'обострилась, когда в 1976-77 г.г. началось внедрение комбайновой технологии в руднике СКРУ-2, По данным лаборатории ВГСЧ пробы, рудничного воздуха в 17,5 % случаев содержали сероводород в количестве, превышающем ГЩК. С этого и по настоящее время под руководством и при участии автора диссертации проводились исследования проблемы обеспечения безопасных условий труда в условиях повышенного выделения сероводорода в рудниках ПО "Сильвинит" и "Уралкалий".

При исследовании газоносности пластов АБ и Вс в руднике СКРУ-2 было выяснено, что на многих участках шахтного поля в них практически нет свободных газов (точнее, есть слоевые локализованные скопления в "коржах" в кровле пластов и очаговые - в трещиноватых зонах), так как газовыделения из шпуров, пробуренных в самих пластах, часто отсутствовали. Для определения содержания связанного сероводорода (в образцах) изложенный выше метод растворения непригоден, так как этот газ хорошо растворяется в воде. А.Н.Земсковым при участии автора был разработан метод извлечения сероводорода при измельчении породы в лабораторной шаровой мельнице с последующим отсосом газовоэ-душной смеси из мельницы вакуумным насосом. Исследования поданной методике показали, что основная часть сероводорода содержится в связанных газах (табл.1) и выделяется в рудничную атмосферу при мелком измельчении руды исполнительным органом комбайна. В свободных газах рудника. СКРУ-2 сероводорода в 3-8 раз меньше.

Содержание газа по слоям неравномерно. Максимальное его количество содержится в верхней части пласта Б и четных

- 20 -

слоях пласта Вс, где оно в среднем в 10 раз выше, чем в нечетных слоях. Накопление информации по газоносности показало большую неравномерность содержания газа по участкам шахтных полей и в целом по месторождению. В предельных значениях содержание сероводорода может отличаться на 3 - 4 порядка.

Выделения сероводорода были изучены как из отбитой руды, так и из массива. Определено, что с поверхности массива в первые сутки выделяется около 75 % газа, и далее, постепенно убывая по экспоненциальному закону (формула (3)), прекращается через 90-100 часов от начала газовыделения. Газовыделения эти невелики и даже при максимальной скорости проведения выработки не создают концентраций газа больше 0,1 ЦЦК.

¿ножны динамика и характер газовыделения из отбитой руды , так комбайн работает вместе с бункером-перегружателем (БШ и самоходным вагоном (GB), может рубить с различной скоростью подачи или простаивать. Газовыделение происходит из забоя, с конвейера комбайна, с поверхности нагруженной в БП -и СВ руды, в местах перегрузок руды с комбайна и БП, при движении СВ по выработке. Разгрузка руды из.СВ осуществляется на штреке со сквозным проветриванием. Были изучены газовыделения как из отбитой руды, так и её оотаточная газоносность по классам крупности. Газовыделение из отбитой руда происходит по тощ же закону, что и из шцуров или массива, цоэто.цу остаточная газоносность Гост зависит от её начальной величины Гн и времени нахождения руды в выработке и определяется по форцуле Госг (t)= Гн (0,Mtz-G,89t+W)i.<n (б)

Установлено, что крупность руды влияет-на интенсивность и объем газовыделения. Суммарная поверхность вуско? отбитой руды в. сотни раз превышает поверхность, массива, что я определяет большую интенсивность газовыделений изотбитойруды, при этом вскрытыми оказывается внутрикриотаршчэские поры. Таким образом, причина повышенных газовыделений - технологическая. .','.'

Динамика газовой обстановки; в тупиковом забое при работе комбайна описывается уравнением ; . . , - •"'"'. • q ,

p. p. _ or .

где Ср(0)- начальная концентрация газа в забое, %; - коэффициент использования струи; 0, - количество воздуха, поступающего в забой; t - время, прошедшее с начала разрушения руды комбайном; Ц,^ - средний объем газовыделения; С0 - содержание газа в свежем воздухе.

Максимальная загазованность забоя наступает лишь при непрерывной работе комбайна

сг • Я-р Л«0 •

Величина может использована для расчета количества воздуха, которое необходимо подавать в забой по фактору "ядовитый газ". Анализ формул (7) и (8) показывает, что нормальные условия труда в забое можно обеспечить,либо подавая необходимое количество воздуха (которое оказывается в 2-3 раза больше, чем по фактору "минимальная скорость воздуха"), либо ограничивая производительность комбайнового комплекса. На рудниках было принято последнее, т.е. вводили коэффициенты 1,151,6, снижающие норму выработки на комбайн по причине повышенных выделений сероводорода. Нами были разработаны "Рекомендации по обоснованию производительности комбайновых комплексов в условиях выделения ядовитых газов", внедренные на рудниках ПО "Сильвинит". .

Очевидно, что одними технологическими мерами задача удовлетворительно не решается, поэтому нами был разработан комплекс мер по борьбе с сероводородом, включающий технологические, вентиляционные и специальные мероприятия. Ввиду неэффективности применяющегося нагнетательного способа проветривания были испытаны комбинированный и всасывающий способы. Оба эти способа оказались значительно более аффективными и при средних значениях газоносности обеспечивали нормальные условия труда на рабочих местах машинистов комбайнов и СВ, однако во многих случаях ЦЦК не достигалось, особенно при увеличении длины тупиковых выработок свыше 80-100 м. Нормальные условия труда на рабочих местах удалось обеспечить применением продольных и поперечных ограждений, с одной стороны изолирующих вторичные источники пылегазовыделений.на комплексе, с .другой стороны обеспечивающие движение чистого воздуха по проходу, в

- 22 -

котором находятся рабочие места. .

Однако и в этой случае оставались источники загрязнения выработки газом - утечки из отсасывающего трубопровода. Для того, чтобы предотвратить загазование выработки, был разработан и испытан аппарат - пылегазопоглотитель (нейтрализатор), устанавливаемый после вентилятора - пылеотсоса комбайна. При ' испытаниях аппарата было выяснено, что содержание ядовитых газов в воздухе пропорционально содержанию в нем пыли, поэтому проблема борьбы с газом и пылью в этих условиях объединяется. Степень поглощения газа и пыли аппаратом составила от 50 до 90 %, что, в сочетании с комбинированным (или всасывающим) способом проветривания и изолирующе-распредэлитель-ными ограждениями позволило решить задачу обеспечения безопасных условий труда при нормальной производительности комбайновых комплексов.

Газодинамические явления в калийных рудниках автор диз-сертации изучала при отработке карналлитового пласта, при ведении горных работ в соляных породах в Ивдерской шахте и при отработке сильвинитовых пластов АБ и Красный П. На кар-наллитовом пласте В, по данным В.П.Шатова, происходит 110550 выбросов в год. За 12 лет в Индерской шахте нами изучены 116 выбросов (1970-1981г.г.). За 20 лет на сильвинитовых пластах зарегистрировано более 270 случаев газодинамических явлений. В результате анализа большого фактического материала нами разработана классификация газодинамических явлений, происходящих в калийных рудниках (рис.2 и 3). Из представленных в классификации типов газодинамических явлений наибольшее распространение получили все разновидности внезапных выбросов породы и газа (3, 7, 8) и газодинамические обрушения кровли ( и явления комбинированного типа - 4, 6). На калийных рудниках объективно сложились две группы условий со сво-. ими геологическими и технологическими особенностями и преобладанием различных по природе газодинамических явлений: I группа - из пласта, сложенного однородной соляной породой, отрабатываемого буровзрывным способом, - это выбросы породы л газа при взрывных работах, не представляющие непосредствен- 23 -

*

рис.2. Классификация газодинамических явлений, происходящих в калийных оулниках.

ной опасности для людей, но образующиеся полости нарушают проектные размеры выработок и междукамерных целиков, нередки случаи загазования забоев и их простоев и т.д.; 2 группа - из. вмещающих пород, сложенных слоистыми глино-соляными породами, при выемке пласта комбайном, что представляет большую опасность для забойных рабочих, - это газодинамические обрушения, иногда перерастающие во внезапные выбросы из пласта - спутника (явления комбинированного типа). Схемы на рис.3 позволяют в первом приближении видеть различие в природе и механизме этих явлений. За длительный период исследований нами изучены особенности потенциально опасных участков массива и факторы, вли- . яющие на развитие газодинамических явлений (рис.4). Видно, что' результирующая исходная характеристика - напряженно-деформированное состояние массива, зависящее от суммы взаимовлияющих факторов. Соляной массив обычно считают пластичным, а распределение напряжений в нем - гидростатическим. Вместе с тем в калийных рудниках распространены не только выбросы, но и горные удары. При изучении этого вопроса установлено, что массив Верхнекамского месторождения имеет блочное строение, характеризуется шарьяжно-надвиговой тектоникой, подвержен современному сжатию с востока и воздыманию блоков с различной скоростью. В этих условиях, как экспериментально установлено нами и другими исследователями, максимальную величину имеет горизонтальная составляющая нормальных напряжений субширотного направления, достигающая значения 2,2-3 ^Н . Минимальная составляющая - вертикальная или вторая горизонтальная - также превосходит величину ^ Н в 1,4 - 1,6 раза. Этот фант объясняет и высокие значения пластового давления газа, приведенные выше. Таким образом, исходный соляной массив характеризуется неравномерным и неравнокомлонентным напряженным состоянием, связанным не только с современными движениями земной коры, но неравномерностью газоносности-внутреннего источника напряжений. Величина и различие в величине компонентов напряжений усиливаются в зоне опорного давления, что может привести к образованию трещин сдвига или отрыва, которые будут сразу за-подняться газом.

Газоносность, пористость и трещинова-тость, минеральный состав,.строение пласта, глубина залегания, мощность, угол падения, вмещающие породы, тектонические нарушения, современные тектонические процессы и др.

Прочность, упругость, пластичность и др;

Способ подготовки, порядок отработки, совместная выемка пластов, система разработки, способ выемки, способ управления кровлей, скорость подвигания, форма забоя или поперечного сечения выработки, способ охраны выработки и др.

Рис.4, факторы, влияющие на возникновение динамических явлений.

»

I группа газодинамических явлений - это, по существу классические внезапные выбросы соляных пород и газов, характерные для Ивдерского месторождения и карналлитового пласта В Верхнекамского месторождения. Нами изучены особенности вы-бросоопасных участков соляного массива в сравнении с обычными Это повышенная до 20 раз пористость, до нескольких десятков раз - газоносность, более высокие (до 2,5 раз) упругие свойства при пониженной до 4,5 раз прочности при любых видах напряженно-деформированного состояния. Выбросоопасные породы- 26 -

это гаэопородные агрегаты с уровнем напряженного состояния и запасом энергии (Ю4 - Ю8 Дк/м3), значительно (до 4-х порядков), превышающими прочность порода и энергию, необходимую на её разрушение. Так, для образования I м2 поверхности трещины сдвига в карналлите необходима энергия 460-665 Дх, а отрыва - от 0,5 до 1,8 Дк. По Гриффитсу, трещина будет распространяться, если скорость освобождения упругой энергии ЬУ!/Ь% достигнет прироста, поверхностной энергии ЬЦ/Ь$ . Здесь и играет решающую роль газ, выделяющийся в трещину. При попадании выбросоопасного участка в зону разгрузки доразрушение породы осуществляется в виде послойного отрыва и микровзрывного разрушения кристаллов и их сростков под действием давления сжатого в порах газа.

Исходя из таких представлений о механизме выброса для того, чтобы его предотвратить,нужно снизить уровень напряженно-деформированного состояния и энергии до безопасного уровня путем разгрузки и дегазации породы. .

Как отмечено выше, газодинамическим обрушениям подвержены слоистые глино-соляные породы, содержащие слоевые скопления газа. Проведенные нами теоретические исследования напряженного состояния массива вокруг выработки, имеющей в. кровле глинистый прослой, показали, что в соляном слое, находящемся под глинистым прослоем, возникают высокие горизонтальные сжимающие напряжения, величина которых возрастает с увеличением коэффициента бокового распора (с 0,5 до 1,5 в 1,5 и более раза) и уменьшением мощности слоя и достигает значений 3,5-6 уН или предела прочности сильвинита при одноосном,; или. даже двухосном сжатии. Этот слой может быть дополнительно нагружен поперечной нагрузкой - давлением газа, при этом слой.отделен от основного' массива газовым слоем" и работав г как балка или плита. Аналогичная задача решена Ж.С.Ержановым, А.С.Сатиновым, Ю.А.Векслером. За критерий разрушения у, принят "критический прогиб" плиты (где а>мах - максимальный прогиб плиты, к. - её толщина), связанный,в свою очередь , с "критическим смещением" контураи/г0

«>тах/к= и/*в , (9)

где К -смещение контура; ?0 - начальный радиус изгиба. При

- 27 -

размера стороны плиты (ширины выработки) й. и равенстве горизонтальных напряжений со всех сторон получается выражение для определения разрушающего давления гада

Рг = ] , при <3^^.(10)

Анализ уравнения (10) показывает, что для предотвращения газодинамических разрушений кровли можно уменьшать а (ширину выработки), увеличивать (ъ (мощность защитной пачки), либо 1 не оставлять её совсем, обеспечить возможность выделения газа из слоевого скопления до совершения им работы по разрушения слоя, уменьшить горизонтальные сжимающие напряжения путем раз грузки слоя.

Посколы-су распределение выбросоопасных участков и слоевых скоплений газа в массиве имеет стохастический характер, для обеспечения безопасности ладей в забоях необходимо проводить прогноз опасности газодинамических явлений. В диссертации даны классификации методов прогноза: по этапам прогног рования (до начала разработки месторождения, шахтного поля или его участка, при ведении подготовительных и очистных работ); по цели прогнозирования (предназначенные для выделения потенциально опасных пластов или участков - региональные; для оценки степени опасности _участков - локальные; для оценки степени опасности ситуации в действующем забое - текущие); по критериям, принятым в методах прогноза (геологическим, газовым, физико-механическим свойствам, напряженно-деформированному состоянию, комплексу показателей) и .др.Все известные методы были оценены с позиций: обоснованности критерия прогноза, технологичности, затрат времени на прогноз, наличия аппаратуры и возможности вести непрерывные наблюдения, в том числе в автоматическом режиме. Выяснилось, что всем требованиям удовлетворяют инструментальные метода: для прогноза вы-бросоопасности - акустический и радиометрический, газодинамических обрушений - сейсмоакустический. Кроу.е того, в качестве регионального, локального, предварительного или вспомогательного может быть использован геологический метод.

Геологический прогноз был разработан нами для условий Индерского месторождения, где выбросоопасньг все соляные поро-

- 20 -

ды. Изучение данных по 116 выбросам и 3499 пробам бороздового опробования показало, что при наличии в породах включений или примесей минералов бора частота выбросов в них возрастает в 2-11 раз, а отметки 93 % выбросов совпали с пиковом содержанием окиси бора на этих участках. Разброс значений отношений пиковых содержаний окиси бора к его содержания на предыдущих отметках оказался очень большим - от 1,04 до 85,7. Для выяснения закономерностей распределения найденного признака выбросоопасности был использован метод геометрии недр - построение средней кривой способом предварительного сглаживания методом скользящего окна. По сглаженным кривым в сопоставлении с фактическим материалом была определена величина кри- , , тического отношения - показатель выбросоопасности Кв, по значению которого участки массива можно разделить по степени, опасности: Кц 2,04 - особо опасные; 1,58 •< Кд .2,04 -опасные; 1,12 ■< Ка1,58 - угрожаемые; К^-й. 1,12 - неопасные. Наибольшей выбросоопасностыо; на месторождении обладают породы, содержащие карналлит (рудное тело), хотя наибольший .объем выработок и общее число выбросов максимальны дяя каменной соли. .' ".>

По сглаженным кривым, соответствующим граничным значениям показателя выбросоопасности, строятся прогнозные карты; В дальнейшем на участках, на которых геологическим прогнозом выделены опасные и особо опасные- зоны, инструментальный прогноз можно не проводить, а применять меры по предотвращению выбросов. На других участках, а также при первичном проведении выработок необходим инструментальный текущий прогноз.

При разработке акустического метода использовано свойство "трескучести" кристаллов соляных пород, проявляющееся при их нагревании или растворении (микроразрущениях).Мы предположили, что интенсивность потрескивания пропорциональна количеству упругой энергии, накопленной кристаллом, которая складывается из энергии кристаллизации, упругого сжатия, твердых и газообразных включений. Кристаллизационную силу можно рассчитать по Зюрмуле Хаимова - Малькова

. где К - постоянная Больцмана; Т - температура; V - удельный объем; С/С0 - пересыщение,. Порядок этой величины- такой же,как и энергии объемного сжатия кристалла без газа, и энергии мик-ровкшоченного газа - 10^ - 10^ Дж/м3. Расчет и анализ напряженно-деформированного состояния кристалла сложного строения (бикристадла) с взаимно перпендикулярным положением основных кристаллографически* направлений показал, что включения обладают остаточными напряжениями анизотропии, энер^ю которых можно рассчитать по формулам . Хц

Мост*{Хх.0-к)РЧ ИЛИ Кст^аХХЬ-Х:

где и Х„ - линейная сжимаемость кристалла и включения; .Р -горное.давление; £ - толщина слоя кристалла, в котором сосредоточена энергия остаточной деформации; £ - половина площади грани кристалла; 0> мах - максимальное напряжение, действующее в массиве. Порядок энергии твердых включений такой же, что и микровключенного газа, но они суммируются, поэтому суммарная энергия кристаллов с твердыми включениями больше, чем без них. Именно в связи с этим обстоятельством присутствие минералов бора в породах Индерского месторождения даке в виде геохимического фона (микровключений в кристаллы) повышает вы-бросоопасность этих пород, уровень "трескучести" которых выше, чем Верхнекамского месторождения. Таким образом, этот показатель по сути лежит в основе как геологического, так и акустического методов прогноза (для Индерского месторождения).

Нами были проведены лабораторные и шахтные исследования акустического метода на двух месторождениях, разработан прибор для ведения прогноза, найдены критерии выбросоопасности, осуществлен прогноз в действующих забоях. Метод обладает Высокой степенью надежности, но требует для получения информации бурения шпуров (штыба), что не всегда технологично, например, при комбайновой добыче. Поэтому нами был разработан метод, не требующий внедрения в массив - радиометрический.

Источники ионизирующих излучений в соляных породах -калий-40, рубидий, цезий и, возможно, другие нуклиды. Интенсивность излучений зависит не только от содержания нуклидов, но и от плотности породы, её пористости, трещиноватоети (т.е.

от величины излучающей поверхности), а также напряженного состояния. Нами установлено, что интенсивность излучений из выбро-соопасных участков карналлитового пласта и солей Индерского месторождения в 2 - 4 раза выше, чем из обычного массива. Нами разработаны приборы радиометрического прогноза ПРП, в том числе в автоматическом режиме (ПРПА), которые работают на принципе оценки выбросоопасности по интенсивности суммарного р-н. % - излучения. Испытания метода в действующих забоях показали хорошие результаты. Автоматический прибор ПРПА в настоящее время проходит испытания на Верхнекамском месторождении.

Наличие импульсов акустической .эмиссии (ИАЭ) в соляном массиве свидетельствует о процессах упругого разрушения в нем. Физические основы метода, основанного на регистрации и оценке характеристик ИАЭ, хорошо разработаны. Наш этот метод впервые исследован и применен для прогноза газодинамических явлений 2 группы.в калийных рудниках Верхнекамского месторождения (БКРУ-2, БКРУ-3, в настоящее время СКРУ-3). На первом этапе (с 1973 по 1978 г.г.) нами применялась аппаратура ЗУА-4, с помощью которой в руднике БКРУ-3 было запрогнозировано-б газодинамических явлений. В настоящее время используется аппаратура СЕАН, которая позволяет получать несколько характеристик ИАЭ и. фиксировать не только трещинообразование, но и процессы расслоения и дегазации в контролируемом участке массива. Цель наших современных работ по совершенствованию сейсмоанустичес'кого метода - разработка аппаратуры, позволяющей вести автоматический прогноз газодинамических обрушений ( и состояния кровли ).

До наших работ для калийных месторождений не были разработаны способы предотвращения выбросов породы и газа, йцё в 1968 г. нами был проведен анализ известных для угольных месторождений способов и с учетом особенностей выбросоопасного соляного массива и камерной системы разработки обоснована возможность применения для предотвращения выбросов трех методов: предварительного нагнетания воды в пласт, торпедирования и создания опережающих разгружающих щелей по контуру будущей выработки. Все эти способы позволяют воздействовать на основные факторы выбросоопасности - снижать уровень напряженно-деформи-

ровадногои энергетического состояния опасного участка до безопасного предела.

: Наш был разработан метод нагнетания воды в пласт в режиме гадроразрыва. Предварительно выбор жидкости для нагнетания и изучение закономерностей трещинообразования были осуществлены на основе лабораторных исследований на образцах сильвинита'и карналлита. Результаты этих исследований показали, что эффективность воздействия.воды значительно выше, чем рассола (промышленных растворов соляных пород): в несколько раз выше скорость трещинообразовакия и ширина образующихся трещин, меньше величина разрушающего давления и энергоёмкость разрушения. Шахтные исследования в руднике БКРУ-1 показали работоспособность метода: при нагнетании под давлением 3-4 Ша проис-, ходило быстрое трещинообразование (до 15 - 20 м/мин) и последующая дегазация массива. Анализ показал, что образующиеся трещины гидроразрыва представляют собой вертикальные плоскости эллиптической формы с длинной горизонтальной осью, параллельные обнаженной поверхности. Изучение закономерностей образования трещин гидроразрыва по литературе (б.А.Христиано-вич, В.П.Келтов и др.) показало соответствие наших результатов' теоретическим представлениям некоторых авторов. В соответствии с ними трещина гидроразрыва в нетрещиноватом массива должна распространяться в плоскости, перпендикулярной на;-именьшой составляющей главного напряжения, (в нашем случае горизонтальная составляющая, действующая со стороны и перпендикулярно обнаженной поверхности массива). На основе результатов шахтных испытаний и теоретических оцеток нами предложено определять давление нагнетания воды (гидроразрыва) по формуле • .'г. -. .

.' Р„ « 1 + А/6) ¿)ДМ>+ (®р+, (13) где А - ширина камеры; В - ширина целика; |) - коэффициент . Пуассона; бр- предел прочности при растяжении; 6~ относи-, тельная деформация; Е - модуль упругости; ак~ коэффициент концентрации напряжений на конце трещины; а остальное параметры' нагнетания (число шпуров на забой, расстояние между ними, время нагнетания, размер обработанной зоны) - графи- 32 - ■

чески.

Промышленные испытания метода были проведены в руднике СКРУ-1 при проведении штрека по выбросооласному шестоцу слою пласта В и отработке карналлитовой камеры на участке с высокой степенью выбросоопасности буровзрывным способом. При этом рядом отрабатывалась контрольная камера обычным способом. После нагнетания выбросов породы и газа не было, тогда как в контрольной камере произошло только крупных (более 100 т) шесть выбросов и в результате последнего из них величиной 1500 т был пробит насквозь междукамерный целик (с противоположной стороны от опытной камеры). Результаты испытаний метода с целью предотвращения выбросов были признаны положительными. В настоящее время на основе этого метода разрабатывается технология- отработки пласта В комбайнами. •

Для предотвращения газодинамических обрушений на Рэрхнекаы-ском месторождении применяется дренажное бурение. Болеэ 95 % : таких разрушений кровли произошли непосредственно у забоя, сразу после обнажения опасных участков, в то время как дренажные шпуры отстают от забоя на 4,5 - б ы и поэтому влияют на прояв-' ление "запоздалых" газодинамических явлений из кровли.

Нами для предотвращения газодинамических разрушений кровли, в соответствии с вышеописанным механизмом этих явлений, предложено проводить в кровле у забоя одновременно с проведением выработки непрерывную вертикальную разгрузочно-дегазациош!ув щель с помощью комбайна, оснащенного щелерезом. Теоретические исследования напряженного состояния массива вокруг выработки без щели и со щелью в кровле показали, что проведение щели благоприятно его изменяет: исчезают опасные горизонтально сжимающие напряжения, которые перекосятся вглубь массива на ;:акоц щели. Шахтные испытания эффективности применения щелей г. трех . рудниках (БКРУ-3, БКРУ-2 и БКЗ-4) показали, что их применение не только позволяет предотвращать динамическое разрушение кровли, но и улучшает устойчивость слабоустойчивой глино-соляной кровли на технологически необходимое время. Результаты испытаний ПО " Урал; с алий " признал положительными и в ближайшее время начнется заводское оснащение комбайнов типа "Урал" щелареза,-

- 33 -

ми. В работе приведена методика определения параметров разгру-зочно-дегазационной щели.

Заключение

В диссертации выполнено теоретическое обобщение и дано решение крупной научной проблемы, заключающееся в выявлении особенностей газоносности, газовыделений и газодинамических явлений в соляных породах и разработке на этой основе безопасных и эффективных методов ведения горных работ при разработке калийных месторождений, что имеет важное.народнохозяйственное значение. •

Основные научные результаты, выводы и практические реко-мевдации заключаются в следующем.

1. В результате комплексных исследований факторов, определяющих возможную газоемкость соляных пород, установлено, что пористость их изменяется от I до 20 %, давление газа может достигать 30 Ша, газы сорбируются органическими и другими примесями и растворены во влаге породы, могут находиться не только в газовом, но в жидком и твердом фазовом состояниях, а содержание газов в массиве может достигать 40-50 м3/м3. • •

2. Разработаны методики определения газоносности соляных пород по свободным.« связанным газам, позволяющие получать достоверные данные по количеству и составу газов. На основе этих методик и научного планирования экспериментов изучена газоносность разрабатываемых пластов и вмещающих пород пяти шахтных полей новых рудников. Полученные данные используются при расчете вентиляции и разработке мероприятий по безопасному ведению горных работ.

3. Газоносность соляных пород неравномерна. Установлено, что неравномерность газоносности ярко выражена, неодинакова и зависит от особенностей строения массива. Однородная порода массивного строения обладает п о р о в о й газоносностью (внутри- и межкристаллической): обычная порода содержит рассеянный газ в количестве 0,1-0,3 м3/м3 (сильвинит), выбросо-опасная - гнездовые скопления поровых газов (до 40-50 ыэ/м3). Газоносность слоистого глино-соляного массива определяется наличием слоевых скоплений газа объемом от 0,1 до 100 мэ.Тре-

- 34 -

щиноватые участки массива содержат очаговые скопления газа объемом до 2000 м3.

4. Разработана классификация природных газов, показывающая распределение газов в массиве (в локализованных скоплениях - внутрикристаллических, межкристаллических, слозвых, очаговых), связь их с породой (свободные, связанные, сорбированные, растворенное) и величину скоплений. Это позволяет объяснить закономерности выделений природных газов при ведении горных работ и механизм явлений.

5. Установлена взаимосвязь вида газовыделений и газодинамических явлений с особенностями газоносности пород: опасные выделения ядовитых газов характерны для пород с повышенной поровой газоносностью; внезапные выбросы породы и газа происходят при приближении выработок к участкам массива, содержа- • щим гнездовые скопления поровых газов; в газодинамических обрушениях участвует газ, содержащийся в слоевых скоплениях; очаговые (и слоевые) скопления газа могут быть причиной суф-лярных газовыделений и отрывов пород.

6. Установлены причины загаэования тупиковых механизиро-' ванных забоев сероводородом. Это мелкое измельчение руды при , добыче ее комбайнами, наличие кроме первичного источника газовыделения - свежеразрупеннЬй руды в забое - вторичных ис~ -точников (мест перегрузки руды в бункер-перегружатель и самоходный вагон); неэффективность нагнетательного способа проветривания; недостаточное количество воздуха, определенное, по минимальной скорости движения воздуха; запыленность атмосферы забоя, способствующая удержанию газа в воздухе.

7. Обоснован и разработан комплекс технологически;;, вентиляционных и специальных мероприятий, обеспечивающих безопасные условия труда в тупиковых комбайновых выработках о повышенными выделениями сероводорода: необходимость расчета количества воздуха по фактору "ядовитый газ"» применение комбинированного способа проветривания в сочетании с изолирующа-регулирущими ограждениями"я-пылегазопоглотителем; уменьшение длины камер; применение порядка отработки камер, исключающих1 загрязнение свежего воздуха и др.

-И' ":'-35:>л ..■;:■■--■''

8. Разработана новая классификация газодинамических явле-. ний.происходящих при ведении горных работ в соляных породах,

по их механизму и с учетом технологического фактора. Установлено, что наибольшую опасность представляют две группы газодинамических явлений: из разрабатываемого пласта (внезапные выбросы породы и газа) и из вмещающих пород (газодинамические обрушения и явления комбинированного типа).

9. Обоснованы новые физические модели внезапных выбросов соляных пород и газов и газодинамических обрушений.

Исходный соляной массив характеризуется блочным строением, высоким уровнем и неравномерностью неравнокомпонентного напря-ненно-деформированного состояния 'участков, определяемого внешними (гравитационными и тектоническими) и внутренними (газовыми и др.) силами.

Выбросоопасные участки массива представляют собой газопородные агрегаты, отличающиеся от негазоносного массива физико-техническими свойствами (повышенной в 2-13.раз пористостью и газоносностью,.до 2,5 раз - упругостью, пониженной - до 5 раз-прочностью при всех видах нагрукения) и (на 1-4 порядка) более высоким уровнем внутренней энергии. Эта энергия является источником энергии внезапного выброса.

Разрушение начинается в зоне опорного давления,, где образуются трещины сдвига или отрыва, заполняющиеся газом. В зоне разгрузки процесс разрушения завершается в виде послойного от' рыва и микровзрывного разрушения кристаллов и их сростков под действием давления поровых газов.

Разрушение слоистой глино-соляной кровли, содержащей слоевое скопление газа, происходит вследствие выраженной анизотропии ее газодинамических и деформационных свойств и обусловлено давлением газа и наличием высоких горизонтальных сжимающих напряжений в соляном слое, расположенной под глинистым прослоем. Вероятность разрушения соляного слоя при итом зависит от его мощности»' угфугих свойств, собственного веса и величины проле»а выработки.

Представленные физически, модели послужили основой для' .' разработки методов прогноза и предотвращения газодинамических

; - 36 -

явления и позволяют дифференцированно подходить к принятию конкретных технологических решений.

10. Выявлены и обоснованы критерии оценки выбросоопаснос-ти соляных пород, учитывающие их особенности, и на их основе разработаны методы и аппаратура для прогноза выбросоопасности новыми радиометрическими и акустическими методами, а для условий Индерского месторождения - и по геологическим признакам.

Выявлен критерий и разработан сейсмоакустический метод прогноза газодинамических обрушений.

11. Впервые для условий калийных месторождений обоснован и разработан способ предотвращения выбросов породы и газа из разрабатываемого пласта путем предварительного нагнетания вода в пласт в режиме гидроразрыва, позволяющий вести безопасную и эффективную механизированную добычу карналлита.

12. Обоснован и разработан новый эффективный способ предотвращения газодинамических обрушений путем одновременного

с проведением выработки создания в кровле у забоя вертикальной разгружающе-дегазационной щели с помощью комбайна, оснащенного щелерезом.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:'

1. Ослабление сильвинита напорной водой,- Гидравлическая добыча угля. 1966, )Гб, с.34-35.

2. Понижение прочности массива при нагнетании жидкости в пласт. В сб."Исследования по вопросам горного дела". Пермь, 1971, с.14-24.

3. Исследование газоносности солевых пород,- Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело. 1972, !р2,

с.17-19.(соавторы Медведев И.И., Краеюк Н.Ф.).

4. Газоносность пород Лидерекого месторождения. В сб. "Технология и безопасность горных работ". Пермь, 1972, с.115-118,- (соавтор Красюк Н.Ф.).

5. Определение параметров нагнетания. В сб. "Технология и безопасность горних работ". Пермь, 1972, с.50-55.

6. Газовыделения в подземных выработках Индерского рудника. В сб. "Разработка соляных месторождений". Пермь, 1973,

с.169-175 (соавтор Красюк Н.Ф.),

7. Газовыделения на калийных рудниках. М.:Недра, 1974, 165 с. (соавтор Медведев И.И.).

8. Газоносность пластов Второго Березниковского рудника, В сб. "Вентиляция шахт и рудников" Л., 1974, с.32-35 (соавторы Медведев И.И., Коротаев В.ф., Красюк Н.Ф.).

9. О путях решения проблемы внезапных выбросов соляных пород и газов на калийных рудниках. Материалы отраслевого совещания "Газодинамические явления на калийных рудниках". Л., 1974, с.64-69.

10. О природе динамических явлений и возможности их прогнозирования в условиях Второго Березниковского рудника. Материалы отраслевого совещания "Газодинамические явления на калийных рудниках". Л., 1974, с.122-137.

11. Газодинамические явления на калийных рудниках (конспект лекций). Пермь: Пермский политехи.ин-т, 1974, 52с.

12. Технологические условия проявления газодинамических обрушений и выбросов на Втором Березниновском руднике. В сб. "Разработка соляных месторождений". Пермь, 1974, с.137-142.

13. 0 природе динамических явлений на Втором Березников-ском руднике. В сб. "Технология и безопасность горных работ". Пермь, 1974, с.42-46.

14. Некоторые данные о сорбционных свойствах соляных пород. В сб. "Вентиляция шахт и рудников". Л., 1975, с.78-81 . (соавтор Красюк Н.Ф.).

15. Роль газа в механизме выбросов. В сб. "Разработка соляных месторождений". Пермь, 1976, с.133-139 (соавтор Красюк Н.Ф.).

16. Некоторые данные о газоносности пород Второго Соликамского калийного рудника. В сб. "Вентиляция шахт и рудников", Л., 1976, с.57-59 (соавторы Земсков А.Н., Красюк Н.Ф.).

17. Развитие методов прогноза газодинамических явлений на Верхнекамских калийных рудниках. В кн. "Добыча и переработка калийных солей Верхнекамского месторождения". Пермь, 1976, с.67-70 (соавторы Коротаев В.Ф., £еофилов В.Г.).

18. Экспериментальные исследования распределения газа в

приконтурном массиве при разработке калийного пласта. В сб. "Разработка соляных месторождений". Пермь, 1977, с.120-123 (соавтор Земсков А.Н.).

19. Динамические явления и меры борьбы с ними. В кн. "Технология подземной разработки калийных руд". М.:Недра,1977, с.239-259.

20. Оценка возможности нахождения газов калийных место- -рождений в жидком и гидратном состояниях. В сб."Разработка соляных месторождений". Пермь, 1978, с.39-46 (соавторы Красюк Н.Ф., Кривцов А.Г.).

21. О выделении ядовитых газов в калийных рудниках. В сб. "Вентиляция шахт и рудников", Л., 1979, с.83-86 (соавторы Земсков А.Н., Красюк Н.Ф.).

22. A.c. СССР № 676960 & Ol V 9/00// & 01 к" 29/00. Устройство для прогнозирования выбросов породы и газа при разработке калийных и соляных месторождений. 1979, бюл Л? 28 (соавторы Писков В.Е., Коротаев B.S., Медведев И.И.).

23. A.c. СССР $ 861649 Е 21 Г 5/00. Способ определения выбросоопасности пород калийных месторождений. 1981, бюл. №33 (соавторы Захаров Н.И., Захарова Л.А.).

24. A.c. СССР )«• 1028853 Е 21 F 5/00. Способ проведения горных выработок по пластам, опасным по динамическим явлениям. 1983, бюл. №3 (соавторы Жихарев С.Я. и др.).

• 25. Методы прогноза и предотвращения газодинамических явлений в калийных рудниках. Алма-Ата: Наука, 1987, 175с. (соавторы Долгов П.В., Земсков А.Н.).

26. Влияние влажности на сорбционную ёмкость калийных солей. В сб. "Совершенствование разработки калийных месторождений" , Пермь, 1987, с.65-72 (соавтор Налимова Е.Г.).

27. Результаты опытно-промышленных испытаний пылегазопог-лотителя в руднике Второго Соликамского рудоуправления. В сб. "Технология подземной разработки калийных месторождений", Пермь, 1988, с.90-95 (соавторы Виноградов Ю.А., Плешков В.Н., • Трапезников H.H.).

28. A.c. СССР № 1488520 Е 21 Г 5/00, Е 21 С 41/04. Способ выемка выбросоопасных пластов и устройство для его осу-

'•'.■:" - 39 - ■

ществления. 1988, бюл. № 23 (соавторы Старцев В.А., Старков Л. И.). -

29. Сравнительная оценка характеристик импульсов акустической эмиссии от разрушения массива соляных пород, фиксируемых аппаратурой ЗУА-4, "Сигнал" и СЕАН. Матер. У Всес. семинара. "Горная геофизика", ч.2. Тбилиси, 1989, с.63-67 (соавтор Плешков В.Н.).

30. Взаимосвязь складчатости и напряженно-деформированного состояния карналлитового пласта. В сб. "Разработка калийных местороадений". Пермь, 1989, с.68-71 (соавтор Виноградов Ю.А.). -