автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Разработка и реализация способов безопасной и эффективной отработки выбросоопасных пластов на шахтах Донецкого бассейна

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ ДОНЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

КОЛЕСОВ Орест Андреевич

РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ СПОСОБОВ БЕЗОПАСНОЙ И ЭФФЕКТИВНОЙ ОТРАБОТКИ ВЫБРОСООПАСНЫХ ПЛАСТОВ НА ШАХТАХ ДОНЕЦКОГО БАССЕЙНА

Специальность 05.26.01—„Охрана труда и пожарная

безопасность"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Донецк—1995

Диссертация является рукописью

Работа выполнена в Государственном Макеевском научно-исследовательском институте по безопасности работ в горной промышленности.

Официальные оппоненты:

академик НАН,

докт. геол.-минер, наук, проф.

докт. техн. наук, проф.

докт. техн. наук, проф.

ЗАБИГАИЛО Владимир Ефимович

БОЛБАТ Иван Ефимович

ОСОКИН Владимир Васильевич

Ведущая организация—Институт геотехнической механики HAH Украины, г. Днепропетровск.

Защита состоится . • 1995 г. в ^ часов

на заседании специализированного совета Д.068.20.02 при Донецком государственном техническом университете: 340000, г. Донецк, ул. Артема, 58.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Донецкого государственного технического университета: 340000, г. Донецк, ул. Артема, 58.

Автореферат разослан ' ^^^^/^^^Чх^Ъ г.

Ученый секретарь специализированного совета, докт. техн. наук, проф.

ЧЕРНЯЕВ В. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время в Донецком бассейне разрабатывается 447 шахтопластов, опасных и угрожаемых по внезапным выбросам угля и газа. С переходом на белое глубокие горизонты количество выбросоопаеннх пластгп возрастает и уже. к 2000 году достигнет 6С$ от общего числа разрабатываемых шахтопластов. Несмотря на принимаемые усилия ученых и производственников, проблема внезапных выбросов продолжает оставаться актуальной и травматизм от них имеет место. Особенно это относится к очистным работам на пологих тонких и весьма тонких выбросоопасных пластах, объем добычи на кото. рых в последние годы превышает 70;?,. где занято наибольшее ■ число: горнорабочих.

Для предотвращения выбросов угля и газа применяются преимущественно локальные способы, выполняемые яепосредст-. венно из дейотвухвдх забоев очистных и подготовительны* выработок, что несмотря на достаточно высокую их эффективность, сопряжено со значительными трудовыми затратами, снижающими нагрувку на очистной забой. Извеотные региональные способы предотвращения выбросов угля и газа не наши широкого применения из-за невозможности бурения скважин в условиях высокой газодинамической активности выбросоопасных угольных пластов на бсяьшх глубинах. В этой связи борьба с внезапными выбросами угля и газа стала на только проблемой повше-ния уровня безопасности труда'при разработке выброооопас-ннх пластов, но и проблемой обеспечения выооких технико-экономических показателей на выемочных участках.

Возникла необходимость разработки принципиально новых технических решений, позволяющих осуществлять так называв-

мне воздействия на массив "через влияние", то есть создание , региональных способов предотвратим выбросов, выполняемых не в угольном пласте, а во вмещающих породах. Перспективными для этих.целей являются способы воздействия взрывом на угольный пласт через вмещающие порода, которые основываются на нарушении сплошности кровли (почвы), приводящей к перераспределению горного и газового давления впереди очистного забоя. ¡1аиболее реальный суть установления данной связи лежит через исследование динамики .изменения состояния горного массива в процессе импульсного воздействия с конкретными параметрами. При этом эффективность импульсного воздействия для предотвращения выбросов угля и газа сопряжена с управлением элементами динамического процесса деформирования массива, разгрузкой и дегазацией угольного пласта.

Опыт разработки выбросоопасных пластов Донбасса показал, что технология очистных работ во многом определяет характер напряженного и газодинамического состояния призабой-ной часта пласта, а, следовательно, и интенсивность проявления выбросоопасности. Поэтому на основании учета горнотехнических факторов может осуществляться управляемое технологическое воздействие на призабойную часть угольного пласта, обеспечивающее безопасную и эффективную выемку угля механизмами без предварительного выполнения противовыбросных мероприятий.

Изложенное указывает на актуальность решения научной проблемы разработки положений, о динамике геомеханических процессов, происходящих в выбросоопасном горном массиве, и на их основе создание и реализация технических решений по предотвращению внезапных выбросов угля и газа при разработке пологих тонких и весьма тонких выбросоопасных плас-

тов.

Диссертационная работа базируется на результатах исследований, выполненных в рамках программ ГКНТ по решению научно-технической программы 0.05.05 в период 1930.,.1990 гг. В ней решена важная научная проблема, имеющая большое народнохозяйственное значение и заключающаяся в рзлра^эн.о научно обоснованных способов предотвращения внезапных иыбросоЕ угля и газа при отработке пологих вибросоопасных пластог Дон- , басса.

Целью работы является установление закономерностей управляемого импульсного и технологического воздействия яа горный массив, обеспечивающего предотвращение внезапных выбросов угля и газа в лавах пологих пластов.

Идея работы заключается в интенсификации процесса формирования зоны разгрузки и дегазации угольного пласта впереди очистного забоя путем воздействия на вмещающие угольный пласт породы и под влиянием технологических факторов.

Методы исследования. В работе использованы аналитические методы исследований механики сплошной среды и механики разрушений, методы расчета напряжений и газовой динамики в краевой части разрабатываемого выбросоопасного пласта; шахтные экспериментальные исследования изменений напряженного и газодинамического состояния призабойкой части пласта в лавах пилотах вибросоопасных пластов; математическая обработка, базирующаяся па теории вероятности, теории подобия и дисперсионного анализа с применением ЭВМ.

Научные положения, разработанные лично соискателем. выносимые на защиту.

I. Kay ihhg основы способа снижения динамичности проявления горного давления в призабойкой части пласта, за-

ключаадегося.в предварительном разупрочнении пород кровли при производстве передового торпедирования, приводящего к образованию областей, ослабленных радиальными трещинами, прорастающими в процессе приближения лавы к плоскости торпедирования в магистральные трещины, расчленяющие труднообрушающие-оя породы на небольшие блоки,, способствующие в призабойной части лав формированию зояы разгрузки и дегазации пласта, выемка угля в которой т сопровождается внезапными выбросами угля и газа..

2. Методика проведения шахтных экспериментальных измерений влияния импулъоного воздействия при взрывании сквакинных

, зарядов в породах кровли шшота на изменение выбросоопасности его в призабойной часта при последующей выемке угля. При этом учитываются угли наклона .и разворота скважин передового торпедирования,' расстояние от плоскости торпедирования до очист- ■ кого забоя, линейная плотность'заряда, обеспечивающие при взрывами дополнительную разгрузку призабойной части пласта.

3. Экспериментально полученные зависимости, позволяющие расчитывать-расстояния между линиям.1? скважин при передовом ' торпедировании пород кровли на основании предварительно устанавливаемой иоходной величины зоны разгрузки, образующейся под воздействием горного давления, и технологической глубины выемки, обеспечивающие после торпедирования устранение,

' выброоошасности призабойной части пласта.

4. Положение о том, что передовое торпедирование пород кровли приводит к снижению в 3 раза акустическзй эми .ска : ллаота, уменьшению газозыделения в 2 раза при выемке угад, повышению крепости угля в 1,2 а увеличению зона разгрузки в 3,3 раза но сравнению о аналогичными показателями, полуженными без торпедирования.

5. Физическая и математическая модели деформирования породного массива как гетерогенной, трещиновато-пористой газо-наснщенной средн, позволяющие количественно оценивать влияние параметров струговой выемки (скорости и величины подви-гания очистного забоя, длина участка выемки, гродедеятельность технологических перерывов между снятие!.« пэнос угля) на изменение напряженно-деформированного к газодинамического состояния горного массива. Зависимость величины зоны разгрузки от горно-геологических и технологических факторов, используемая для выбора оптимальных параметров струговой выемки без выполнения специальных противовнбросных мероприятий.

Достоверность научных положений и выводов подтверждаются:

статистически значимым объемом экспериментальных данных; .представительностью объектов, на которых они получены и положительными результатами промышленных испытаний разработанных способов предотвращения выбросов;

соответствием разработанных физической и математической моделей напряженно-деформированного и газодинамического состояния горного массива и установленных закономерностей формирования зоны разгрузки призабойной части пласта и современным представлениям о природе и механизме внезапных выбросов угля и газа и данным практики;

удовлетворительной схгдимостго результатов.аналитических решений, шахтных экспериментов.-и данных промышленных испытаний, расхождение между которыми не превышает 11%.

Научная новизна исследований заключается в следующем: в научьоП разработке основ метода управляемого высвобождения энергии горного массива за счет заблаговременного

разупрочнения пород кровли пласта и рационального технологического воздействия на- призабойную часть лав при выемке угля, позволяющих предотвратить внезапные выбросы;

в установлении зависимости увеличения размеров безопасной зоны разгрузки впереди очистных забоев от разупрочнения пород кровли за счет взрывания скважинных зарядов, располагаемых на рациональных расстояниях, обеспечивающих предотвращение защемления краевой части пласта;

в экспериментально установленной зависимости величины приращения зоны разгрузки в лаве от физико-механических свойств пород кровли пласта, расстояние между забоем и плоскостью расположения скважин для торпедирования, утла ее наклона, линейной плотности заряда, позволяющей определять глубину выемки (выемочного цикла), исключающей возникновение выбросов;

в установлении .зависимости размеров зоны разгрузки в призабойной чаСти пласта при струговой выемке от величины и скорости подвигания лавы, длины участка выемки, времени между циклами выемки, размером консоли зависших пород кровли, позволяющей' расчитывать рациональные технологические параметры выемки,.обеспечивающие предотвращение внезапных выбросов.

Научное значение работы заключается: в определении физической сущности управления геомеханическими процессами при импульсном воздействии на вмещающие угольный пласт породы, разработке теоретических основ управляемого высвобождения энергии горного массива путем передового торпедирования пород кровли и оптимизации параметров технологического воздействия на призабойную часть выброс'оопаеяого пласта при струговой выемке;

в установлении зависимостей формирования безопасной зоны разгрузки от технологических факторов и параметров управления горнил давлением, обеспечивающих устранение выбросо-опасности в призабойной части угольного пласта.

Практическая ценность работы. Разработаны метода ло управлению геомеханическими процессами, обеспечига-одие регио-нэльность разгружающей по фактору выброс.опасности обработки массивов без непосредственного воздействия на угольный пласт. Способ импульсного воздействия на породы кровли пласта путем передового торпедирования для предотвращения внезапных выбросов угля и газа внедрен в условиях шахтопластов Донбасса, отнесенных к категории особо выбросоопасных. Применение разработанных средств и способов по оптимизации технологических параметров струговой выемки обеспечивает безопасность и эффективность очистных работ на пологих весьма тонких и тонких выбросоопасных пластах без предварительного выполнения про-тивовыбросных(мероприятий.

Реализация работы в промышленности. Региональный способ преде вращения внезапных выбросов угля и газа,' основанный на импульсном воздействии на вмещающие угольный пласт породы, доведен до стадии нормативного: "Временное руководство по применению передового торпедирования кровли для предотвращения внезапных выбросов угля и газа в очистных выработках" включено в ноьую редакцию "Инструкции по безопасному ведению горных- работ на пластах, склонных к газодинамическим' явлениям", а технология передового торпедирования кровли для предотвращения выбросов угля и газа включена в Инструкцию по применению сотрясательного взрывания "Единых правил безопасности при взрывных работах" (1993). Рекомендации по безопасной и эффективной технологии струговой выемки rгoлq-

• го

гих выбросоопасшх пластов включены в "Технологические схемы разработки пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа" ив новую редакцию "Инструкции по безопасному ведению горных работ на пластах, склонных к газодинамическим явлениям". По состоянию на 01.01.1994 г. рекомендации по безопасной и эффективной технологии струговой выемки применяются в 42 очистных забоях пологих опасных по выбросам пластов Донецкого бассейна.

Апробация работы. Основные результаты научных исследований доложены и получили одобрение на Центральной комиссии по борьбе с внезапными выбросами угля, породы и газа (1980) и ее секции по Донецкому бассейну (1985, 1990), Всесоюзном семинаре специалистов по обмену передовым опытом совершенствования технологии проектирования угольных предприятий (г. Днепропетровск, I98D), секции "Техники безопасности и охраны труда в. угольной промышленности" Республиканского ШТО (г. Донецк к 1980)., 'конференции стран СНГ по проблеме внезапных выбросов угля, порода и газа (Москва, 1983), Международном семинаре цо проблемам геомеханических процессов в горном деле (Москва, 1993).

Публикации.• По результатам исследований опубликовано 29 научных работ, включая 4 авторских свидетельств, брошюру и две монографии.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 разделов и заключения, содержит 46 рисунков, 34 таблиц, описок литературы из 102 наименований и 4-х приложений. Она изложена на 220 страницах, общий объем работы 251 страница.

Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам отделов внезапных выбросов угля, породы и газа и взрывных работ

и взрывчатых материалов МакШИ за помощь в проведении иссле-

и 1 1

дований и автороком надзоре при внедрении разработанных технических решений на шахтах Донбасса.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ результатов исследований, посвлщентгх изучению природы и механизма внезапных выбросов ^гля и газа, выполненных акад. А.А.Скочинским, докт.техн.наук Я.Э.Некрасовским, , И.В.Бобровым, В.ВЛодотом, И.М.Печуком, А.Э.Петросяном, И.М. Петуховым, В.И.Николиным, М.И.Большинским, А.Т.Айруни, A.H¡ Зориным и др. показывают, что выбросоопасность угольных пластов в очистных забоях обусловлена совокупным влиянием горного давления, содержащимся в угле газом, физико-механическими свойствами, микро- и макроструктурой угольного пласта, а также технологическими факторами. Выбросы вызываются нарушением равновесного состояния призабойной части угольного пласта, при котором выемка угля сопровождается перераспределением горного и газового давления вблизи забоя. Исходя из этого основным принципом предотвращения внезапных выбросов угля и газа на практике продолжает оставаться предварительное, локальное или региональное изменение напряженного и газодинамического состояния угольного пласта, приводящее к его разгрузке и дегазации .

ГГо состоянию на 01.01.1994 г. в Донецком бассейне имеется 107 шахт опасных по внезапным выбросам утля г газа, на которых разрабатывается 447 шахтопластов, из которых'226 являются внбросоопасными, 192 - угрожаемыми и 29 - невыбросоопас-ннми. Таким образом более 50$ шахтопластов в бассейне разрабатываются с примэнчнием противовыброспнх мероприятий.

Многолетний опыт ведения горных работ на выбросоопасных пластах показал, что практически все применяемые в настоящее время нормативные способы борьбы с выбросами обладают достаточно высокой надежностью, благодаря чему плотность выбросов (количество выбросов на I млн.тонн добытого угля) за период с 1970 по 1993 гг. снизилась с 2,80 до 0,1'.'.

Правилами безопасности'предусматривается при разработке выбросоопасных пластов преимущественное применение региональных противовыбросных мероприятий, которые должны обеспечивать заблаговременное устранение выйросоопасности угольных пластов. В настоящее время имеющиеся региональные способы предотвращения выбросов угля" и газа основаны на бурении длинных скважин впереди очистного забоя. Однако они не нашли ши^жого применения из-за проявления высокой газодинамической активности выбросоопасных пластов при бурении этих скважин. Поэтому, основной объем применяемых способов предотвращения выбросов приходится на локальные -противовыбросные мероприятия, выполняемые непосредственно в забоях очистных и подготовительных выработок. Эффективность локальных способов предотвращения выбросов зависит от степени соответствия их параметров конкретным горно-геологическим условиям ведения горных работ. Изменчивость свойств и состояния угольных пластов, локальность и случайный характер распределения выбросоопасных зон обуславливают ситуацию, когда определение оптимальных параметров способа зачастую становится невозможным.

Накопленный опыт показывает, что большинство из применяемых нормативных решений не способствует интенсификации горного производства, поскольку осуществление противовыброс-!шг мероприятий нарушает основной технологический цикл и приводит к снижении обьемов угледобычи. Связано это прежде

всего с тем, что при разработке способов борьбы с газодинамическими явлениями рассматривалось, как правило, статическое поведение горного массива, то есть изучалось конечное равновесное состояние, возникающее после технологического воздействия на массив или предшествующее ему. Этот ^достаток присущ многим исследованиям, .касающимся оценки состояния горного массива на выбросоопасных пластах. Устранение этого

недостатка может бить осуществлено только при изучении связи' динамической формы проявления горного давления с параметрами и элементами процесса ведения горных работ. Изучение этой связи открывает возможности применения технологий угледобычи на выбросоопасных пластах с регламентацией параметров воздействия, а также применения в новых аспектах различных физико-механических воздействий на уголь и породы. Последнее относится прежде всего к использованию импульсного воздействия для обработки угольного пласта через вмещающие породы с целью снижений выбросоопасности.

При разработке уголышх пластов, в том числе выбросо-опасних, с углами падения до 35° примерно 15% очистных забоев имеют так называемые "тяжелне кровли", которые в периоды первых и последующих обрушений создают повышенные внешние активные нагрузки на крепь и краевую часть очистного забоя, приводящие к защемлению пласта и уменьшению зоны разгрузки.

Для повышения эффективности горных работ на этих пластах применяется передовое торпедирование кровли как способ управления горным давлением. Эффект разупрочнения пород достигается за счет образования трещин при взрыве ВВ и их развития под действием напряжений в зоне опорного давления по море подвитния очистного забоя. В результате этого труд-нообрушавшиеся погоды разрушатся на блоки меньших размеряй,

вследствие чего снижается динамичность осадок кровли и внеш-' ние активные нагрузки на крепь и очистной забой. Применительно к вопросам влияния передового торпедирования пород кровли на выбросоопасность пласта наиболее реальный дуть установления указанной связи лежит через исследование геомеханических: процессов в массиве горных пород при технологическом воздействии с конкретными параметрами.

Анализ происшедших внезапных выбросов и опыта отработки выбросоопасных пластов с помощью стругов показал, что на создаете выбросоопасной ситуации в струговых лавах влияют технологические параметры выемки и процесс управления горным давлением. До настоящего исследования не были разработаны научно-обоснованные рекомендации по технологии ведения струговой выемки выбросоопасных пластов, на которых выполнение нормативных локальных противовыбросных мероприятий, осуществляемых непосредственно из очистного забоя, не представляется возможным. • '

Изложенное предопределило необходимость постановки двух направлений исследований, конечным результатом которых явилась разработка способа предотвращения внезапных выбросов угля и газа, основанного на импульсном воздействии на вмещающие угольный пласт породы путем их передового торпедирования и способа определения оптимальных параметров технологии выемки угля струговыми установками, снижающей выбросоопасность призабойной части пласта. При атом в диссертации поставлены и решены шесть основных задач:

I) определение физической сущности управления геомеханическими процессами при импульсном воздействии на вмещающие угольный пласт породы и разработка теоретических основ устойчивости разупрочненного горного массива;

2) экспериментально изучить влияние импульсного динамического воздействия на напряженное и газодинамическое состояние призабойной части угольного массива при передовом торпедировании пород кровли пласта;

3) разработать параметры импульсного воздсЯстрчя на вмещающие породы, обеспечивающие предотвращение ьн^росов угля и газа при очистной внемке угольного пласта;

4) разработать безопасную технологию передогого торпедирования кровли как способа предотвращения выбросов угля и газа; :

5)-оценить эффективность и технологичность способа импульсного воздействия на вмещающие выбросоопасный пласт породы при его опытно-промышленной проверке в шахтных условиях;

6) разработать безопасную и эффективную технологию выемки пологих выбросоопасннх пластов струговыми установками.

При проведении аналитических исследований в качестве импульсного воздействия использовался взрывной импульс, образующийся при передовом торпедировании пород Кровли угольного плас.а. В рамках настоящего исследования передовое торпедирование рассматривается как способ разупрочнения пород, снижающей напряженное состояние призабойной части пласта за счет создания условий минимального его защемления с переносом максимума опорного давления в глубь массива, предотвращение зависания кровли, минимизации энергетического баланса в призабойной области. Оценка влияния указанных элементов производи- ' лаоь исходя из уоловпй деформирования пород и устойчивости системы "угольный пласт-породы кровли" с учетом положения забоя в результате внемки угля и ограничения породного слс.г в кровле ПЯ8СТ1 поверхностью обрушения в забое -и поверхностью .разупрочнения при торпедировании в массиве. Устойчивость пис-

теми определена решением двух задач. Первая задача сводилась к определению максимальной длины зависания пород, не приводящей к их обрушению при отслоении под действием сил собственного веса при подвигании забоя лавы и определенного его положения по отношению к поверхностям торпедирования пород. Вторая задача сводилась к определению максимального расстояния от забоя до поверхности торпедирования пород в глубине массива, обеспечивающего устойчивое деформирование угля на величину д ГГ1 под действием сил горного давления при подвигании забоя в результате выемки угля.

Отслаивающийся слой пород в кровле, ограниченный с двух сторон выработками, в выработанном пространстве - поверхностью обрушения, а в глубине забоя - поверхностью разупрочнения , представлен в виде плиты шириной и (по длине лавы) , длиной Ь , равной расстоянию между поверхностями разупрочнения и обрушения и мощностью ГПЛ . При оценке устойчивости глита рассматривалась как консольная балка, нагруженная равномерно массовыми силами . Длина консоли, не приводящая к разрушению массива, составит

(I)

где С, - расстояние от забоя до поверхности разупрочнения; [б] - допускаемые напряжения, по. величине равные разрушающим при изгибе, МПа; £ - объемный вес пород, т/м3; ^ - ускорение свободного падения, м/с2"; бе - напряжения, распределенные по площади контакта, МПа< Эта зависимость (I) позволяет лишь ориентировочно оценить длину допустимой консоли зависающих пород, как воздействующего параметра на устойчивость массива.

Для полного решения поставленных задач произведена оцен-

ка состояния массива в забой при шейке угля и деформировании пласта в поле сжимающих сил горного давления с использованием энергетического подхода - изменения энергии при образовании и движении свободных границ.

В состоянии равновесия деформируемый объем угля характеризуется поверхностью ^ и смещениями Ы, под действием сил горного давления Г, , а также энергией'Ц»^-с1£, . Иодвигание забоя приводит к нарушению равновесия и дополни- , тельному деформированию, в частности сжатию пласта. В результате пласт перейдет в новое состояние, характеризуемое по-:

верхностъю £. , смещениями О, под действием сил Я, , а \ (

также энергией - у ] Р2с! Ь . Полная работа, совертас>.£ш усилиями £I . при деформировании пласта, производится па разности смещений Ы, - Ц2 ® Д Ц^ и равна

_ Р£ А с1 Ь » 2 (1>, -з6 о • (2)

Приращение энергии в результате деформирования призабой-ной части пласта при подвигании забоя или дополнительном сближении (расширении) пород после обрушения зависит от соотношения- величин потенциальной энертии, заключенной в области воздействия на массив, а работы, совершаемой при деформировании угля. Так гак динамические процессы протекают за короткий промежуток времени, то при оценке устойчивости достаточно предположить линейно-упругое поведения системы. В этом случае возможное приращение энергии

-дЭ^б^аУ-^ли^^-А (3)

где , - удельная потенциальная энергия- призабс! •; г.й

области; V - деформированный объем.

Исходя из (2) и (3), предельно устойчивое состояние в системе достигается, если приращение энергии д Э = 0, тс ест-

•'накопленная энергия совпадает с работой, выполняемой действующими усилиями в пласте..

Работа деформирования пласта Л определяется действием сил горного давления на вертикальных перемещениях 2 :

А = |[с^с1х • (4)

о

Потенциальная энергия в условиях изгиба и сжатия пласта

(5)

оценивается зависимостью

г' г

О о

где К - коэффициент жесткости пласта.

С погрешностью до 10$, ч^о не превышает погрешности определяемых исходных характеристик свойств массива, можно принять

I/ -

• '. к " Я - <6>

где Е^ - модуль упругости утля; ГПа — мощность пласта.

Смецьлпя пласта 2 можно характеризовать сближением почвы и кровли на кромке пласта, линейно уменьшающемся в глубь забоя на расстоянии б*"

2 = дт ^ . (?)

где X - расстояние от забоя до промежуточного сечения, находящегося вблизи сечения торпедирования.

Силы горного давления по глубине забоя распределяются двумя участками изменения. Первый - от величины опорного давления на кромке забоя, характеризуемое кубиковой прочностью бц до его максимума, находящегося на расстоянии а ; второй - от максимума опорного давления до величины горного давления вне зоны влияния горных работ (рис. I).

Рчсчотгэя схе'га к устойчивости приэабойной части пласта

fil Ihr,

« -

. ' /. - , / ä m —___ hij

Tí Q _. . ÍX______ _________ Tim

— —

.■ ' - / /'.- '. 7 Tk m " ~ —

X ^ e, ""T

з i при I, > а с) при < CI

■ Рис. I.

В первом случае нагружения пласта (рис. I а) работа сил горного давления на смещениях Д Ш будет характеризоваться соотношением

" г'г ■

(в)

Проводя в (8) и (5) интегрирование с учетом (7), а также приравнивая IV и А после соответствующих преобразований получим уравнение для определения величины 1>{

(9)

решение которого с учетом = имеет вид

^в^'+^ам^т?-с , ,(1о)

ГД6А р» п^Нт/о-Он.БбкО1^^) Й ^НгПа ^

о 2а (2+1г)- 0, 67 Е^ лт

• Во втором случае условий нагружения (рис. I 0) работа сил горного давления характеризуется соотношением

п*

И-Х (И)

о ' .

Проводя соответствующие преобразования, получим выражение для оценки допустимого расстояния плоскости торпедирования от груди забоя при расположении максимума опорного давления за указанной плоскостью

9 <,5бко(^-4)-боЕадт [(<,5ёкО(тг-4)-БаЕчйтУ

2

С целью изучения характера изменения допустимой величины расстояния между забоем и плоскостью торпедирования при выемке угля или обрушения пород, приводящих к дополнительному деформированию призабойной области, были проведены расчеты в широком диапазоне изменения исходных характеристик б>„ = = (0,5-10,0)-Ю6Па; Е3 = (0,5-Ю,0).Ю8 Па; ГТ1, =(0,7-1,5)м; ДГП= (0,02-0,1) м; а = (1,5-10,0) м; =(Г7,5-30,0М06Па при базовых значениях ¿к= 3 МПа; Е3= 1,5Л02 МПа; ГЛ3 = = I м; ДГП = 0,05 м; а = 3 м; ^Н = 25 Ша.

Анализ результатов расчета показывает, что в оцениваемых условиях накапливаемая пластом энергия превоетодит величину работы сил горного давления на ожидаемых смещениях й ГП . В •процессе ведения горных работ необходимо обеспечить условия максимального деформирования в значительных областях, которое мояет быть достигнуто предотвращением внезапных обрушений кровли, вызывающих деформирование угля.

Зависимости (10) и (12) позволяют выполнить расчет, величины консоли пород кровли, не.приводящей к динамическому разрушению призабойной части пласта.

, Алгоритм аналитического расчета параметров импульсного воздействия на вгд&цающпе породы, при котором обеспечивается устойчивость тссшп и глшикалышо прпгруэкя на краевую част; п.ласт'1, сводится к с

Для конкретных горно-геологических условий в пределах, шахтопласта или участка по стандартным методикам определяются свойства пород и угля: плотность, прочность на разрыв и сяатие, скорости распространения волн в породе и угле, упругие характеристики угля, ожидаемые смещения на кромке забоя, расстояние до максимума опорного давления, глубина ведения горшх работ, мощность угольного пласта и непосредственной кровли. Затем по технологии ведения взрывных работ устанавливается вид ЕВ и его характеристики: скорость детонации, время действия взрывного импульса или время детонации.

Расчетным путем определяется линейная плотность заряжания ВВ в скважине, а по радиусу трещинообразования - удаление зарнда от пласта. По-зависимости (I) определяется возможна» величина консоли зависания пород, а по (10) и (12) - производится оценка правомочности принятия расчетной схемы с расположением плоскости'торпедирования до максимума опорного давлени.1 или за ним. Соответствующая схема, принимается после сравнения определенной величины I с О . При I, »а принимается первая схема,- при£^<0 .- вторая схема. При правомочности первой схемы устойчивости устанавливается расстояние между скважинами для торпедирования, обеслечиьащге устойчивость ш с с ива ¡¿с-Ь-й . При правомочности второй глч-мы определяется значение и с учетом возможной величины консоли пород кровли устанавливается расстояние между скважинами ¿,с= I .

Результаты аналитических исследований послужили научной

основой для постановки экспериментальных исследований по разработке параметров передового торпедирования кровли для предотвращения внезапных выбросов угля и газа.

Ркспериментальнпя оценка влияния передового торпедирования на призабойную часть пласта осуществлялась по комплексу показателей, включающих величину безопасной зонн разгрузки, определяемой по динамике гаэовнделения в призабойной части пласта, концентрацию гелия в составе газов, с'т.'марную в пределах разгруженной зоны скорость гаэоьыдою-шя, метано-вццеление из очистного забоя, акустическую эмиссию горного массива, прочность угля в очистном забое, а также по -зизуаль-ным наблюдениям за состоянием кровли в выработанном пространстве лавы.

Исследования проводились в условиях особо выбросоопас-нм о пласта И, Прасковиевский на шахте "Заперевалытя"Й 2 ПО Дснецкуголь в лавах 1-й западной, № 10 и Л II.

Расстояние между линиями скважин Ьс для передового торпедирования пород кровли согласно расчету принимались 10, 15 и 20 м. Диаметр скважин равнялся 93 и 105 мм, диаметр заряда 60 и 70,ш соответственно. В качестве ВВ использовались аммониты 6® и Т-Т9, перепатронированные в полиэтиленовые рук; за длиной 1,0-1,5 м. Оптимальная масса заряда ВВ определялась с позиций безопасности по формуле:

озар ^ир.р(еске.-е1а,) , аз)

где с!зар- - диаметр скважинного заряда ВВ, м; р - плотность ВВ в заряде, кг/м3; длина скважины, м;! -длина забойки, гл., и составляла от 150 до 192 кг.

В качестве забойки использовалась вода и ; злажнегшая до Ъ% смесь гранулированной мочевины с порошковым хлоридом калия. Подача забойки в скважину осуществлялась с помощью зарядчика 3"К~Г чо пластикатному шлангу 2П00-".

Г«шпп ; зоин разгрузки пласта определялась по двншмрк:

'газовыделения в двух линиях наблюдения - в 25 м (станция №>1) и 50 м (станция № 2) от бортовой выработки. Сравнение величин зоны разгрузки- в зоне торпедирования и без него осуществлено приемами двухфакторного дисперсионного анализа. В таблице I приведены значения величины зоны разгрузки по участкам между скважинами: А1(№ 1,6-Я 2,7), А2(№ 2,7-М 3,8), Ад(№ 3,8-й 4), А^(№ 4-№ 5,9) и Ад(за линией скванин № 5,9), определенной по станциям наблюдений № I (В^ и В 2 (В2).

Таблица I.

Величины зоны разгрузки, м

______ _ 1 _А1 _ _!_ А2 _ ^ А3 _ ! 4 _! А5 _|Средаяя

В1(Ст. I) 2,15 2,28 1,93 1,96 .1,69

В2(Ст.,2) 2,11 , 2,00 2,21 2,08 1,63

Средняя ■ > 2,13 2,14 2,07 2,02 1,66

Как видно" из таблицы наименьшая зона равгрузки имеет место_ на участке А5, где торпедирование не производилось. В остальных-случаях, в том числе и мезду станциями наблюдений, различие оказалось несущественным.

Проведенные эксперименты и анализ их результатов показывают убедительно, что разупрочнение пород кровли торпедированием скважин способствует увеличению зоны разгрузки и дегазации краевой части пласта и может рассматриваться как способ предотвращения внезапных выбросов угля и газа в очистных забоях. Подтверждена идея способа о том, что увеличение зоны разгрузки пласта достигается благодаря уменьшению шага обрушения кровли и предотвращения за сче^ этого защемления краевой части пласта после перехода очистным забоем линии торпедированных сквакин.

2,00 2,00 2,00

Положительный эффект торпедирования подтвержден результатами исследований и других показателей, характеризующих разгрузку и дегазацию массива, а также показателей нарушенное™ непосредственной кровли пласта. При этом Л^- и А2 обозначают зону на участке торпедирования и вне его, а В^ и В2 - первую и вторую ставдии наблюдений.

Акустическая эмиссия пласта и всего массива, оцениваемая по критерию Стыодента по доверительной вероятности £ > 0,9?.. значительно выше вне участка торпедирования, что свидетельствует о положительном, с точки зрения устранения выбросоопасности, влиянии на угольный пласт (табл. 2) торпедирования кровли пласта.

Таблица 2

Средние значения акустической эмиссии, имп/сут

Источники эмиссии ! АТ ! А2

При выемке угля 1,181 3,556

Весь массив 9,019 ; 22,200

Крепость угля.несколько ниже на первой станции наблюдения и независимо от станции наблюдений выше на участке торпедирования (табл, 3). Это свидетельствует о дегазации угольного массива, сопровождающейся повышением крепости угля и, следовательно, о снижении выбросоопасности пласта.

Таблица 3

Средние знячетя крепости угля, у.е.

Ат ! Ар

% > В2 ' В1. ! В2

74, ?.5 ' 75,00 68,74 71,17

Газовццеление из очистного забоя вне участка торпедирования почти в два раза выше чем ча участке торпедирования (табл. 4), что подтверждает происшедшую дегазацию пласта, являющуюся необходимым условием предотвращения выбросов угля и газа.

Таблица 4

Средние значения газовыделения на участке, м3/мин

А1 ■ ! А2

1,524 2,944

• Показатели нарушенности кровли (табл. 5) свидетельствуют о том, что имеет место некоторое нарушение непосредствен-

ной кровли в результате торпедирования, главным образом, по показателю нарушенности внваЛами КЕ. Однако такая степень нарушенности существенно не повлияла на устойчивость непосредственной кровли и не осложняла ведение очистных работ в лаве.

Таблица 5

Средние значения нарушенности кровли, и.

А1- ! А2

В2 ! вГ т В2

Вывалами, Кв

0,364 0,350 0,017 0,015

Уступами, Ку

0 0 0,008 0 004

Трещинами, Кт

0,323 0,313 0,064 0,047

Результаты экспериментальных исследований послужили исходными данными длл разработки параметров и технологии передового торпедирования как способа предотвращения внезапных выбросов угля и газа в очистных выработках. К параметрам способа относятся: вид и длина забойки, высота заложени« нижнего и верхнего торцов заряда, расстояние между линиями скважин по нормали, угол разворота линии скважин относительно оси подготовительной выработки, длина и диаметр скважин, длина, диаметр и масса заряда.

Для определения расстояния между линиями скважин как главного параметра передового торпедирования для предотвращения внезапных выбросов разработана номограмма (рис. 2), учитывают щая зависимость этого расстояния от величины естествннной зоны разгрузки, определяемой экспериментально в лризабойной части пласта, и технологической глубины выемки угля. Длина забойки определяется по формуле:

. ь* ''27Чх) ■

где 8, - д/ита заряда, м; с)3 - диаметр заряда, мм; с1с -диаметр скважины,мм.

Состав забойки включает (% по массе): хлорид калия - 20,0; вода - 4,6; гранулированная мочевина - 75,4.

Для доставки заряда в скважину используется трос с разрывным усилием, определяемым по формуле:

Рр„ 5 20 таар (&11и+5С05Л) , н. (15)

где т,„п - масса заряда, кг; Л - угол наклона скважины, г

град.

Остальные параметры торпедирования принимаются согласно "Инструкции по выбору способа и параметров разупрочнения кров-

лп на выемочных участках".

Номограмма для определения расстояний меяиу линиями скважин передового торпедирования кровли

Рис. 2

Для обеспечения безопасности ведения взрывных работ при передовом торпедировании разработаны дополнительные меры по предотвращению воспламенения метана и взрывов угольной пыли, включающие защиту устьев скваник водовоздушннми завесами длительного действия и изоляцию их водяными заслонами.

Промышленные испытания способа предотвращения выбросов п^тем торпедирования кровли пласта проведены в условиях 16-й восточной лавы на особо выбросоопасном антрацитовом пласте h Бабаковский шахтн "Штеровская" ПО Донбассантрацит. Мощность пласта 0,65...0,85 м, угол падения 7-8°. В кровле залегает мелкозернистый крепкий ( бсж= 110 МПа) песчаник, мощностью до 10 м, oíносящийся к категории труднообрушаемых. Почва - песчано-глднистый сланец ( <£гж = 70 МПа).

Отработка лавы производилась па столбовой системе с выемкой угля комбайном IKI0I в комплексе с меякрепью МК-97. Естественная зона разгрузки в призабойной части пласта не превышала 1,0 м. По условиям разупрочнения пород кровли минамаль-ное расстояние между скважинами для торпедирования составило 15 м, а для предотвращения выбросов - 10 м. Исходя из условий выбросоопасности было принято расстояние между линиями скважин 10 м, а сквакины в каждой линии располагались в два яруса. Расчетная масса заряда в скважинах первого яруса составила 291 кг, второго 105 кг.

В общей сложности пробурено 64 скважины суммарной длиной 3773 м. Лавой отработан участок по простиранию пласта протяженностью 1Б0 м, из них 45 м вне зоны влияния торпедирования.

Оценка эффективности передового торпедирования кровли пласта как способа предотвращения внезапных выбросов угля и газа производилась экспериментально по величине зоны разгруэ-

ки, начальной скорости газовыделения, акустической эмиссии, и выделению метана из выемочного участка, а также по комплексному показателю ИГД им. А.А.Скотанского Кв, характеризующего степень снижения выбросоопасности иризабойной части пласта.

Испытания подтвердили эффективность разработанных параметров и технологии передового торпедирования для предотвращения выбросов угля и газа. На участке торпедирования прирост зоны разгрузки пласта составил 0,50...0,70 м, что обеспечило выемку угля комбайном без выбросов угля и газа, в то время как при выемке угля на необработанном участке произошло пять выбросов интенсивностью от 15 до 50 тонн.

Результаты промышленных испытаний свидетельствуют о возможности эффективного использования способа в условиях разработки весьма тонких и тонких пологих выбросоопасных плптов с трудкообрушаемыми кровлями. По состоянию на 01.01.94 г. возможный объем применения способа на шахтах Донбасса составляет 16 лав, а годовой экономический эффект от внедрения его составит 123 тыс.руб. на одну лаву по ценам 1990 г. ' . .

Выполнены исследования по разупрочнению пород с помощью электрогидравлического эффекта, на основании которых установлена принципиальная возможность применения его взамен взрывания зарядов взрывчатых веществ в скважинах при торпедировании.

Вторым направлением исследований явилась разработка безопасной технологии струговой выемки на основе оптимизации ее параметров.

Аналитические исследования выполнены на математической

модели напряженно-деформированного и газодинамического состояния краевой части пласта, в которой нормальные напряжения ( ) в зоне предельного состояния описываются следующими уравнениями:

VjHfo-AOxI-x.)^] de,

при X05XsXo + Qm ,

тле tf - объемный вес пород, т/м3; Н - глубина разработ-

КИ,И! : ^^ГТ?" : 6к* ~К7бто~

вая прочность рассматриваемого выбросоопасного пласк. в натурных условиях; Х0= 0,671 - приведенная ширина выработки с учетом пространственного характера ведения горных работ; Zt -длина лавы; 2 h - мощность пласта.

Рассеяние до максимума опорного давления Ят определяется .

а™--°-9Б(<Ь ч № .

где . pa¡0>57(^K»

~ параметр сдвижения; - угол, характеризующий Н _

крутизну нарастания нагрузок, = 62-64.

Формулы (ТЕ) и (17) позволили рассчитать эпюру напряжений по всей длине опорного давления, а также величину зоны • разгрузки ^

a„iClm -0,7l¿-k , (18)

где Еп - модуль упругости вмещающих пород; М„_, - модуль спада на диаграмме напряжения деформации, учитывающей запредельные характеристики угольного пласта.

Пользуясь уравнениями (16) и (1С), количественно оцене-

но влияние некоторых горнотехнических факторов на величину., безопасной зоны разгрузки 0о .

Результаты исследований свидетельствуют о том, чтп с увеличением длины участка выемки (2t ), глубины разработки (Н) и мощности пласта (2 Ь ) величина безопасной зоны разгрузки возрастает.

Принимая линейную зависимость изменения давления консоли зависшей кровли на пласт и суммируя затем эпюры стационарного поля напряжений я дополнительных напряжений в зоне опорного давления, получим следующую формулу для определения приращения зоны разгрузки

где Ди„ - приращение зоны разгрузки;.б„=-„-— ;

I / ^го

Пк - мощность пород зависающей кровли; ¿к - длина консоли;

От - длина зо!Ш предельного состояния.

Знак минус в правой части выражения (19) указывает на то, что наличие зависающей консоли приводит к уменьшению зоны разгрузки. '

Влияние фактбра времени (интервала между циклами выемки) можно учесть, используя экспериментальные данные, касающиеся изменения безопасной зоны разгрузки с течением времени. Принимая время релаксации напряжений Ъ . из шахтного эксперимента (■¿=1 сутки), можно полагать, что величина напряжений составит

GuíJe4"* б

, к_ . с?**«

где 1 - - i К =--------

(го)'

^ "fcmax , Í таг

б ку(5 =0,8 б куб - предел длительной прочности при t

Подставляя в (20) величину б нуй ( t ) как функцию ' времени, получим зависимость, позволяющую оценить влияние времени на величину безопасной зоны разгрузки. Расчеты показывают, что с течением времени величина зоны разгрузки возрастает.

Влияние горнотехнических факторов на величину безопасной зоны разгрузки с учетом газодинамического состояния при-забойной части пласта оценивалось по следующей методике. Известно, что по мере приближения к забою давление газа падает. Поэтому в точках, отстоящих от забоя на расстоянии, меньшем, чем Q5 , око не превышает давления Ра , которое возникает на границе зоны.возможного резкого обнажения.

Для' анализа распределения газового давления впереди очистного забоя использовалась линейная аппроксимация кривой нарастания газового давления в призабойной части пласта. Тогда

' 0,8 5 Ри ~ -Р0-Ра , (21)

И к

где ал - расстояние впереди забоя лавы, на котором давление падает на 15$ по отношению к исходному давлению; Ри -измеренное давление газа; Ро - критическое давление.

Из неравенства (21) следует:

Ûo^U^^CU- (22)

Величина QK определяется по формуле

где П . Ри" КФш . п _ dm о г

Ьср эмпирический параметр, характеризующий уменьшение газопроницаемости при равномерном всестороннем сжатии;

(23)

с = ^"РР ;

К.<рр - проницаемость угольнойГпласта в разгруженном состоянии; то же в неразгруженном состоянии; У - скорость движения очистного забоя; р - вязкость метана;

1с .

Ч ри '

- исходное газосодержание единицы объема;

^т = 3 (1 -2^) + ' '

Е'и ^ - соответственно модуль упругости и коэффициент Пуассона угольного пласта; 0 - относительное увеличение объе-

ма при полном разрушении.

Величины Ксрщ , С(р, in С* , /<р , связаны с газо-

проницаемостью угля в условиях сжатия и имеют следующие значения: Куп, =0,01+0,1 Мдарси; С^ = i0+30; tnC* = V-+I4; Х9 = 10+15; 0,211 МПа; Kg « I.

Первое слагаемое в правой части выражения (23) учитывает снижение газопроницаемости с ростом внешнего сжатия. Оно уменьшается с увеличением Jf Н • Второе слагаемое Qz обусловлено повышением газопроницаемости непосредственно у забоя из-за разрушения здесь угля и образования дегазированной зоны отжима. При небольших глубинах разработки определяющим является первое слагаемое. Однако с увеличением глубины разработки положение меняется. Например, при Н = 400 м первый член составляет 1-20 м, а при Н = 800 м он приближается к значению 0,4+ 4,0 м. В этом случае решающее значение приобретает образова- ■ ние зоны отжили, учитываемое вторым слагаемым.

Проведенные аналитические исследования позволили установить возможность направленного изменения состояния призабой-ной части угольного пласта при очистной выемке путем оптими-

зации горнотехнических.параметров струговой выемки угля. , Для экспериментальной проверки результатов аналитических исследований были выбраны следующие горнотехнические факторы: скорость подвлгания забоя ]} , величина подвигания на участке выемки I , длина участка выемки 1ц , время между циклами выемки Т . величина консоли зависшей кровли ¿к , сопротивление крепи К .

Исследования по изучении влияния указанных факторов на формирование безопасной зоны разгрузки при струговой выемке проводились на 9 экспериментальных участках пласта ,

отнесенных к категории особо выбросоопасных на шахтах "Глубокая" и "Запереьальная" Л 2 шахтоуправления Донбасс объеди-, нения Донецкугопь.

Зксперименталыше исследования-проводились в три этапа: первый - при существующем паспорте, второй - при пониженной жесткости крепи, третий - при повышенном сопротивлении обрезного ряда крепи. На всех этапах исследовалась величина безопасной зоны'разгрузки, определяемая по динамике начальной скорости газовыделения; величина и скорость сближения пород кровли и почвы по ширине призабойного пространства; сопротивление крени; состояние кровли в призабойном и выработанном пространстве.

Анализ результатов экспериментальных работ позволил установить следующее. Скорость подвигания забоя (V" ) на участке выемки проявляет себя двояко. Во-первых, она определяет интенсивность воздействия на призабойную часть угольного массива, во-вторых, оказывает влияние на положение зоны максимума опорного давления и, соответственно, на величину зоны разгрузки: при большой скорости подвигания забоя, происходит запаздывание перемещения границы зоны опорного

давления в глубь массива, что приводит к уменьшению величины зоны разгрузки. При скорости подвигания до.1,5 см/мин граница зоны разгрузки равномерно, по мере выемки угля, перемещается в глубь массива. Уменьшение величины зоны разгрузки .может иметь место в основном лишь в силу ее естественной изменчивости. При увеличении скорости подвигания до 3 см/мин и более изменчивость ее (в сторону увеличения) не в состоянии компенсировать это уменьшение.

Величина подвигания забоя ( 1п ) на участке выемки в известной мере является аналогом ширины захвата комбайном и характеризует глубину внедрения в угольный массив,. которая о определяет величину перемещения зоны опорного давления и, соответственно, также влияет на формирование зоны разгрузки. При этом уменьшение зоны разгрузки после выемки не всегда соответствует величине подвиганш забоя на участке выемки. Так, величина зоны разгрузки при подвигании забоя на 0,2-0,3 м-практически не изменяется, йлесте с тем, при подвигании забоя на 0,6-0,7 м величина зоны разгрузки может уменьшаться на 0,8-1,0 м.

Известно, что одним из факторов, определяющих вероятность развязывания выбросов, является динамичность воздействия выемочных механизмов на.краевую часть пласта, характеризующаяся сочетанием глубины-внедрения исполнительного органа и скорости перемещения выемочного механизма. Для относительно малых промежутков-времени оценку интенсивности воздействия можно производить по. скорости подвигания забоя на участке выемки.

Введем понятие эквивалентной скорости подвигания забоя:

для комбайна

-эк I

8К

для струта

^ =

ЪЛУс

эс р ' (25)

где Ъ - величина захвата, м; О' - скорость перемещения выемочного механизма вдоль забоя, м/мин; - протяженность участка выемки (индекс "к" относится к комбайну, "с"-к стругам), м.

Пусть- = . Тогда из (24) и (25) получаем

¿ас ^к

' С.Т ■ (26)

Фиксируя значения Ъс =0,1 м, 1)с = 32 м/мин, £311 = 20 м и = 2 к/мин, получаем

I к * • (27)

■ "Т"

Выражение (27) позволяет получить эквивалент динамического воздействия струга на краевую часть пласта. Так, воздействие струга на пласт при длине участка выемки равном 20 м,. эквивалентно воздействию исполнительного органа комбайна, производящего выемку угля при ширине захвата 1,6 м и только при длине участка выемки равном 80 м, воздействие на пласт эквивалентно воздействию исполнительного органа комбайна с минимальной величиной захвата 0,4 м.

Влияние фактора времени ( t ) на величину, приращения зоны разгрузки (л ) описывается уравнением

дЕр* 0,0015 * -0,097 , г -- 0,98 , 4,9 <28)

где Ъ - коэффициент корреляции; ]И - коэффициент надежности.

Результаты исследований влияния жесткости посадочной крепи на формирование зоны разгрузки показали, что на экспе-

риментальном учаыке (этап I), где физическое сопротивление составляло 110 т/пог.м, наблюдалось и более интенсивное смешение кровли до 142 мм, что привели к увеличению разгружен -ной зоны до 1,82 м. На контрольном участке (этап П), где сопротивление крепи было существенно большим (180 т/пог.м), смещение кровли снизилось до 80 мм, а зона разгрузки уменьшилась до 1,22 мм (табл. 6). Это указывает на принципиальную возможность целенаправленно влиять на величину зоны естественной разгрузки краевой части пласта путем изменения параметров паспорта управления кровлей и крепления струговой лавы. При этом для условий пласта Н8 Прасковиевский одним из направлений снижения его выбросоопасности может быть уменьшение жесткости и сопротивления крепи до безопасных пределов по соображениям управления кровлей. Оптимальное сопротивление крепи, при котором достигается максимально возможное увеличение зоны разгрузки должно составлять 110120 т/пог.м лавы вместо 160-180 т/пог.м лавн. по фактическим ■данным. Снижение сопротивления индивидуальной крепи производилось путем уменьшения ее плотности, что как известно, снижает трудоемкость работ по креплению и управлению кровлей, способствует интенсификации очистной выемки и улучшению технико-экономических показателей работы выемочных участков.

Таблица 6.

Данные о фактическом сопротивлении крепи, смещения кровля в величине зоны разгрузки в лаве пласта hg Прасковиевский Этапы исследования"Факт сопро-!Смещение |Величина зоны

им1вяат>0 . KDOBJIH. ;____________

щения !КРоГ, • ЗКЙ1 J. х/пог.м _ 2_____

I этап НО 142 1,82

П этап ко 80 1>22

Управление напряженно-деформированным состоянием плао- . та должно осуществляться комплексно с учетом технологических параметров, влияющих на величину зоны разгрузки. Каждому новому циклу выемки соответствует предшествующий, в результате выполнения которого величина зоны разгрузки, как правило, уменьшается. По условиям безопасности это уменьшение не должно превышать величину зоны разгрузки на начало выемки предыдущей полоски, уменьшенную.на величину неснижаемого опережения этой зоны на 1,3 м. Тогда условие безопасности можно записать в виде

Оо >1+ 1.3 , (29)

где а0 - величина зоны разгрузки, м; Ц - подвиганае забоя за цикл выемки, м. .

С учетом перерывов между циклауи выемки и интенсивности воздействия-струга на пласт безопасные условия выемки стругом можно представить в виде

а0 + да'(-е) = 1 ± + »,5, оо>

где Л О ("Ь) ' ' - увеличение зоны разгрузки за время между циклами внешен, м; Д ¿и - изменение зоны разгрузки в зависимости от интенсивности воздействия струга на забой, м.

После преобразования (29) и (30) получено уравнение, позволяющее рассчитать предельную глубину выемки Ьп в зависимости от определяющих технологических факторов: . п 4 а

где О и К< - коэффициенты, характеризующие изменение величины зоны разгрузки с течением времени.

При практическом применении зависимости (31) поступают следующим образом.

Прежде всего определяют по динамике газовыделеккя ве-

-личину зоны разхрузки 00 . Затем, задаваясь технологически целесообразной длиной участка выемки ¿зс . при фиксированной скорости 1)й и величине его захвата %с , определяют по номограмме допустимую величину подвигания забоя 1,п .

Если установленная таким образом величина будет недостаточной, то ее можно увеличить за счет фактора времени (перерыв в выемке угля), увеличения длины участка выемки или уменьшения интенсивности воздействия стругом на пласт, что может быть достигнуто уменьшением скорости струга или уменьшением величины снимаемой стружки.

По результатам выполненных аналитических и экспериментальных исследований разработана безопасная и эффективная технология струговой выемки пологих выбросоопасных пластов, заключающаяся в выборе ее оптимальных параметров, г "¡вспенивающих предотвращение внезапных выбросов угля и газа в струговых лавах без применения специальных противовибросных мероприятий. Область применения ее распространяется на выбро-соопасные пласты с легко и среднеобрушаемыми породами кровли, отрабатываемыми сплошными системами, т.е. в условиях, когда применение передового торпедирования не допускается. Признано целесообразным при переходе геологических нарушений, зон ПГД и других участков повышенной внбросоопасности, применение сочетания передового торпедирования с оптимизацией технологических параметров струговой выемки. Л о состоянию на 01.01.94 г. оптимальная технология струговой выемки внедрена в 42 очистных забоях на пологих весьма тонких и тонких выбросоопасных пластах Донбасса.

41

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании теоретических исследований, выполнения лабораторных и ^орно-экспериментальных работ, содержащих измерения напряженно-деформированного и газодинамического состояния горного массива, промышленной проверки разработанных способов борьбы с выбросами решена важная для угольной промышленности Донбасса научно-теэЬгаческая проблема повышения безопасности и эффективности ведения очистных работ на пологих тонких и весьма тонких выбросоопасных пластах, заключающаяся в предотвращении внезапных выбросов угля и газа на основе разупрочнения пород кровли и оптимизации параметров струговой выемки.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Установлены закономерности изменения напряженно-деформированного и газодинамического состояния призабойной части пласта в лавах при выемке угля, обусловливающиеся зависанием пород кровли в выработанном пространстве и защемлением краевой части пласта, что препятствует разгрузке и дегазации его и тем самым способствует возникновению внезапных выбросов угля и газа.

2. Разработаны принципиальные основы способа снижения динамичности проявления горного давленая на призабойную часть пласта,,заключающиеся в предварительном разупрочнении пород кровли путем их передового торпедирования, под воздействием которого достигается образование ослабленных зон радиальных трещин с последующим прорастанием их в магистральные трети.ш за счет волны опорного давления в процессе очистных работ, вследствие чего прочные труднообрушаемые породы расчленяются на блоки меньших размеров, что приводит к сни-

•женив внешних на1рузок на краевую часть пласта и обеспечивает формирование впереди движущегося очистного забоя зоны разгрузки и дегазации, выемка угля в которой не сопровождается внезапными выбросами угля и газа.

3. Разработана методика проведения шахтных экспериментальных исследований влияния импульсного воздействия при взрывании скважинннх зарядов в породах кровли пласта на изменение выбросоопасности его призабойной части, проявляющегося при выемке угля. Методика учитывает тип ВВ., массу заряда, диаметр и длину скважин, линейную плотность заряда, удаление торцов заряда от пласта, угол разворота скважин относительно подготовительной выработки и расстояние между линиями скважин, определяемых исходя из оптимальной величины консоли давления пород, при которой обеспечивается устойчивость массива и минимальные ' пригрузки на краев:то часть пласта.

4. Экспериментально в шахтных условиях установлено, что передовое торпедирование пород кровли приводит к снижению в 3 раза акустической эмиссии пласта при выемке угля., уменьшении газовыделения из очистного забоя в 2 раза, повышению крепости угля в 1,2 раза и увеличению в 1,3 раза зоны разгрузки пласта по сравнению с аналогичными показателями, полученными при отработке участков без торпедирования пород кровли, что свидетельствует о существенном влиянии передового торпедирования на изменение напряженно-деформированного и.газодинамического состояния призабойной части пласта, а следовательно, и о снижении его выбросоопасности.

5. йа основании многофакторного анализа экспериментальных данных получены зависимости для определения расстояния между линиями.скважин при торпедировании пород кровли, исхо-•дя из предварительно установленной величины зоны разгрузки

и технологической глубины выемки угля, при которых после тор -педирования достигается увеличение разгруженной и дегазированной зоны в призг-бойкой части пласта, обеспечивающее предотвращение внезапных выбросов угля и газа.

6. Разработана физическая и математическая модели деформирования породного массива »сак гетерогенной трещиновато-пористой газоносной среды, позволяющие количественно оценивать влияние технологических параметров струговой выемки (скорость и величина подвиганая очистного забоя, длина участка выемки,

продолжительность технологических перерывов мевду снятиями полос угля) на изменение напряженно-деформированного и газодинамического состояния горного массива, а также зависимость . величины зоны разгрузки' от горно-геологических и технологических факторов, используемую для выбора параметров безвыбросной выемки угля. .

7. Для горно-геологических условий, в которых породы кровли не относятся к труднообрушаемым, разработана методика оптимизации технологических параметров выемки угля струговыми установками, обеспечивающая предотвращение внезапных выбросов без выполнения специальных противовыбросных мероприятий. Методика может быть использована в условиях, когда породы кровли относятся к труднообрушаемым.

8. Разработанные способы предотвращения внезапных выбросов угля и газа, основанные на применении передового торпедирования пород кровли и оптимизации технологических параметров струговой выемки, прошли промышленные испытания в представительных условиях отработки особо выбросоорасных пластов Ьи на шахте "Шгеровская" ПО Донбассантрацит и ^ на шахтах "Заперевальяая" 1Ь 2, "Глубокая" и км. СО-летия Советской Украины ПО Донецкутоль, подтвердивиие достоверность

научных положений, надежность и технологичность технических ' решений, обеспечивающих повышение безопасности и эффективности ведения очистных работ. Указанные способы доведены до стадии нормативных и включены в новую редакцию "Инструкции по безопасному ведению горных работ на пластах, склонных к газодинамическим явлениям". Годовой экономический эффект от применения передового торпедирования в ценах 1990 года составляет 164 тыс.руб., а оптимальной технологии струговой выемки -123 тыс.руб. на одну лаву.

9. Область применения разработанных способов безопасной и эффективной отработки выбросоопасных пластов определяется горно-геологическими условиями их залегания, степенью выбросо-опасности и технологией ведения очистных работ:

• передовое торпедирование как региональной способ предотвращения внезапных выбросов рекомендуется применять ¡.л особо выбросоопасных пластах с труднообрушаемыми породами кровли, отрабатываемыми столбовыми системами, в том числе в лавах со струговой выемкой;

на пластах с легко и труднообрушаемыми породами кровли, отрабатываемых сплошными системами, когда проветривание опережающей части подготовительных выработок за счет общешахтной депрессии не достигается и применение передового торпедирования в таких условиях не допускается, должна применяться струговая выемка с оптимизацией технологических параметров;

при переходе геологических нарушений, зон ПГД и других участков повышенной выбросоопасности, для которых заблаговременно установить эффективные параметры передового торпедирования не представляется возможным, целесообразно применять сочетание торпедирования с оптимизацией технологических параметров струговой выемки.

10. Анализ известных способов разрушения горных пород'и экспериментальные исследования на эквивалентных материалах показали, что энергетически-силовое воздействие на горный массив, адекватное взрыванию зарядов в скважинах, оказывает высоковольтный электрический разряд в скважинах, заполненных водой, - электрогидравлический эффект. Использование этого эффекта является перспективным направлением для дальнейших исследований по совершенствованию способа разупрочнения пород кровли для предотвращения внезапных выбросов угля и газа.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Г. Колесов O.A., Стикачев В.И. Взрывные работы в шахтах, опасных.по внезапным выбросам угля и газа. - Киев: -Техника, 1987, 167 с.

2. Колесов O.A., Степанович Г.Я., Николин В.И., Лыси-нов Б.А. Выбросы угля, породы и газа в глубоких шахтах Донбасса. - Донецк: Донбасс, 1970, 37 с.

3. Колесов O.A., Николин В.И. Опыт прогноза выбросо-опасности пластов Донецко-Макеевского района Донбасса. -М., ШШЭИуголь, 1972, 29 с.

4. Колесов O.A. Повышение безопасности выемки выбросо-опасных пластов. -М., ЦНИЭйуголь, 1980, 18 с.

5. Колесов O.A. Методы прогноза и способы предотвращения внезапных выбросов утля, породы и газа. - М., ЦНйЭИуголь, 1990, 64 с.

6. Колесов O.A. Исследование и разработка способа предотвращения внезапных выбросов угля и газа, основанного на передовом торпедировании пород кровли пласта. - Макеевка-Донбасс: МакНЙИ, 1993, 90 с.

7. Колесов O.A. Торпедирование угольного пласта на шахте "Коммунист-Новая" как метод предупреждения внезапных выбросов угля и газа. - В кн.: Борьба с внезапными выбросами в угольных шахтах. М., Госгортехиэдат, 1962, с. 415-421.

8. Колесов O.A., Карагодин Д.Н., Балинченко И.И. Наш опыт борьбы с внезапными выбросами угля и газа. - Безопасность труда в промышленности, 1962, * 5, с. 4-7.

9. Колесов O.A., Николин В.И., Степанович Г.Я., Ткач В.Я. Региональный прогноз угольных пластов Донецкого бассейна. -Уголь Украины, 1971, № 5, с. 42-44.

10. Колесов O.A., Иванов И.С., Прохоров Б.И..Экспериментальная оценка надежности измерений давления газа в угольном • пласте. Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело, 1977, * I, с. 6-7.

11. Колесов O.A., Ольховиенко А.Е* .Пути-повышения безопасности и производительности работ на выбросоопасннх пластах. - Уголь Украины, 1973, * I, с. 40-41.

12. Колесов O.A., Николин В.И., Балинченко И.И.; ГаЙнут-динов И.А. Анализ применения, врубовых машин при разработке выбросоопасннх пластов. - Уголь Украины, 1979, № 3, с.33-34.

13. Колесов O.A., Балинченко И.И., Туров А.П., Ткачев В.А. Влияние горнотехнических факторов на внбросоопасность пласта при струговой выемке. - Уголь Украины, 1980, № 2, с.36-37.

14. Колесов. O.A. Оптимизация технологических параметров струговой выемки на выброооопасных пластах. - Уголь Украины, 1980, № 12, с. 21-23.

15. Колесов O.A., Карагодин Л.Н., Болышнский М.И. Способы прогноза и борьбы с выбросами угля, породы и газа на шахтах Донбасса. : Докл. В-4 на XX Международной конференции по горной' безопасности. - Шеффилд, Великобритания, .1983,

с. 61-68,

16. Колесов O.A., Еольшинский М.И. Проблемы борьбы о выбросами угля, породы и газа, пути их решения. - Уголь Украины, 1983, № 6,.с. 16-18.

17. Колесов O.A. Совершенствование техники безопасности-.важный фактор повышения производительности труда. - У^оль, 1984, JS 9, с. 61-63.

18. Колесов O.A., Николин Б.И., Айруни А.Т. Зависимость природного формирования выбросоопасности от степени метаморфизма углей. - Безопасность труда в промышленности, 1984;

.4 12, с. 47-49.

19. Колесов O.A., Стикачев В.И. Камуфлетное взрывание сквавинных зарядов при передовом торпедировании. - Уголь Украины, 1984, № 5, с. 34-36.

20.J Колесов O.A., Еольшинский М.И. О влиянии выемочной технологии .на поведение выбросоопасных угольных пластов и песчаников.: Докл. В-5 на 21 Международной конференции НИИ по безопасности работ в горной промышленности. - Сидней, Австралия,.1985, с. 89-95. ' •

21. Колесов O.A., Стикачев В.И. Взрнвозащита горных выработок яри передовом торпедировании /шахты Донбасса/. -Уголь Украины, 1986, JS5, С, 40-42.

22. Колесов O.A. Влияние горнотехнических факторов на эффективность опережающих скважин. - Уголь Украины, 1986, Л 12, с. 30-31.

23. Колесов O.A., Болыпинский М.И. Влияние технологии очистных работ на выбросоопасность пластов. - Уголь Украины, 1988, Л 4, с. .35-37.

24. Колесов O.A. Нрвые способы и средства обеспечения безопасности работ в тахтах. - Уголь Украина, 1991, Ä 4, о. 4-12.

25. A.C. 926323. Способ управления кровлей в очистных' забоях с использованием механизированной крепи /Колесов O.A., Балинченко И.П., Болыпинский М.И., Маевский B.C., Ткачев В.А./.

Опубл. 07.05.82. Бюл. Л 17.

26. A.C., I6509I2. Способ предупреждения внезапных выбросов угля и газа /Колесов O.A., Балинченко И.П., Бопьшинский М.И., Колесников В.Г.- Опубл. 23.05.9Г. Em. И 19.

27. A.C. 941620. Способ прогноза выбросоопасности приэа-бойной чаоти угольного пласта /Колесов O.A., Вайнптейн Л.А., Гусев М;Г., Маевский B.C./ Опубл. 1982. Бюл. № 25.

28. A.C. 1475235. Способ электрогидравлического воздействия на горный массив /Колесов O.A., Карагодин Л.Н., "нухин А.Г., Вайнштейн Л.А.* Шевченко Б.Д./.

29. A.C. 994723. Гидрозатвор для взрывания зарядов под гидродавлением./Колееов O.A., Меликсетов С,С., Сапронов В.Т., Большинский М.И., Вайнштейн Л.А./.

KOJIffiOB Орест Андр1йов1<ч. Розробка та реалхэац1я cnoco6iB безпечного i элективного ввдпрацювашя викедонебезпечних пласт1в на шахтах Донепького басейну.

Дусертацтя на здобуття наукового ступеню доктора техшчних наук по спещальностх 05.26 01 - Охсрона rrpaui та пожат.на Зезпека, ДонДТУ, Донецьк, 1995

Дксертац1йна робота ыхстить в co6i теоретичн1 та експери-ментальш дослвдження динашки проявления гхрничого тиску при энем1цнюваннг важкообвалювано! покрхвлх та технологичного впливу струга на призаб1йну час Tiny пласта для залобхгання раптовкх в ик ид IB вугхлля та газу. Встановлен1 параметри энем!цнювання покргвл! висадженням свердловкнних зарядгв та TexHororii стругового виймання, iro забезпечують ^орцування зони роэванталуваиня у приэаб1ЙН1Й частин пласта, достатньо1 для безпечного та элективного виймання вугчлля у очюному забох. $ц1йснене впро-вадлсення цих cnoco6iB при ввдпрацюветй пологих виккдонебезпечних пласт1В Донбасу.

Ключов1 слова:динашка гхрничого тиску, знемхцнювання покрхвлг, эапобггашя раптових еикцпдв, зона роавантаження..

Orest A. Kolesov. Development and implementation of safe and effective mining outburst seams in Donbass coal mines.

Thesis for a degree of Doctor of Sciences (.Engineering) in spe- • ciality 05.26.01 - Labour protection and fire safety, DoriSTO, Donetsk, 1995*

The thesis contains theoretical and experimental investiga-r tions in. the problem of rock pressure dynamics when loosening hard rock roofs and ploughing coal faces in order to prevent; coal/gas outbursts. Roof loosening parameters have been established for borehole charge blasting and technological ploughing to provide relief zone in near-the-face area which is sufficient for safe and effective raining. The methods have been implemented when working flat outburst seams in Donbass.

Ответственный за выпуск,

докт.техн.наук, профессор В.И.Николин