автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Совершенствование способов предотвращения выбросов угля и газа при вскрытии крутых пластов квершлагами

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ ДОНЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Р Г 5 ОД

| У [Д^ На правах рукописи

ВОРОБЬЕВ Евгений Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБОВ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ВЫБРОСОВ УГЛЯ И ГАЗА ПРИ ВСКРЫТИИ КРУТЫХ ПЛАСТОВ КВЕРШЛАГАМИ

СпйЦпмшпшю Gj.iu.vi ■ илрана ируда

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Донецк-1996

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Донецком государственной

техничооноц университете.

Научный руководитель - д.т.н., проф.Николин В.И. Официальные оппоненты: д.т.н., проф.Ярембаш U.S.,

к.т.н., о.н.с. Ыолышчук Ю.Е.

Ьсду^сз предприятие: научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной про-шаленности, Мак1Ш

Защита состоится 1 'оА-Ю-ртпа^ 1996г. в на заседании специализированного совета Д 06. РЧ.02 Доноцкрго.государственного технического университета.

Адрес: 3£OOQO, Украина, г.Донецк, ул.Артема, 58. С диссертацией ыокно ознакомиться в библиотеке ДонГТУ.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета',

д.т.н., проф. > Н.Чорнг.ав

ОЕЦМ ХЛРШЬРЖГЙКА РЛШШ

Актуальность Крутш пласты в Украина почти исключительно

(95/5) разрабативаются гахташ Цошрального района Донбасса (ЦРД), ~а-рпктзризушэгося слоям.!!! горно-геологичосяики условии;«!, к основки?» из которых относятся: ~ рибрссооп.аепэсть и однозрекеино склонность угольных пластов к обрусения:«, обусловленная струхтурно-такстуршаш и тектоническими особенностями кэстороядення; - боль пал глубина падения горних работ, как правило, порядка 1000 н.

Вскрытие крутого вибросоопасного или угрозаомсго пласта - еа:.яя тохшчзсян н технологически сложная !! трудоемкая операция подготоши пласта к разработке как при строительства пахта, так и при подго -товпз нового горизонта.

Таяоо ПОЛОКСННО обусловливаотсч и значительной ГГС?р0 и тем, что о наотогзез время в соответствии о нор/атапясш документами под гск-рэтисм пенммг.отел целкЯ перечень поглодопптелы:э вмпзлнкэких работ: ст рззсод"п положения пласта'относительно ог.боя воярипасзоП выработка до удаления от него.

Б прздидупп« 20-40 лот на пахтах ЦРД ежегодно покрывалось с среднем 250-270 пластоз и пропласткоо, прс-мя, которое затрачивалось ш одно покрытие, камянллось от 7-Ю до ИЗО суто:;,

С&щязльмоз расследование есзх газодмнаг/нчеспих явления (ГУШ) сг.сцглльи!'у:л кокиссчями Мннуглспром и Комлтс.т Госгортохиадзора СССР ввели с 1953г. 2аг53года (1953-1595) по даки';« ИакНИИ при зскрнтиях крутих пластов было 3-Гг;: ^--ТЕИрОПаНО 129 пибросоп угля и газа, 5 обрусения (писыпаний) углл нависагаего массива, сопровокдайпихсп по -ид1гн.чм< газовцдолеиием. Если рассматривать иэиэконие числа ёкСро-соэ по годам, взяв за основу десятилетние перлодч, то получил ело-дуетт результаты: I - II Ц953-1962г.г.); II - 29 (1903-1972г.г.?; И - 3-1 (1973-1902г.г.) и 1У - 50 (1933-1992г.г.). Совораенко очв -видкнй непрерывный рост при сС-ем увеличение числа сиброон за

сорок лет в 4,5 раза самым убедительным образом доказывают актуальность выбранной теш диссертации.

1|одь работы. Установить особенности газодинамических явлений, происходящих при вскрытиях крутых выбросоопасншс пластов о приманенном способов предотвращения выбросов, и разработать научно-технические решения для повышения их эффективности.

И^ия работы заключается в том,что некоторые широко применяющиеол способы предотвращения выброса при вскрытиях имеют аздостатки, устранение которых за счет новых научно-технических решений приведет к по-иягашю социальной и технико-экономической эффективности их применения.

^ диссертации используется комплексный гор-н0"3кспериментпльнь.й метод, включающий наряду с аналитическими исследованиями, опытами в шахтных условиях, изучение по материалам расследований комиссиями обстоятельств всех газодинамических явлений,прои--аоаодших в 1953-1995г.г. -на вахтах ЦРД при вскрытиях,с позиций современных представлений механизма возникновения и протекания выбросов угля и газа, акцентом на реальность факта ГДЯ и учетом особенностей их проявления.

0бязател$)й является оценка надежности научно-технических реионий.

Основные научныо полояения^ выносихшо на.защиту.

I.Метод критериального отнесения газодинамических явлений) происходящих при вскрытиях, к выбросам или обрукзниям, учитывавдий бо'ль-СуЮ динамичность выброса по сравнении с обрушонием и основанный на течете отновен.ия длшш выработки, заполненной разруиешшм углем на полков сачокиоц к длине выработки, на которую разрушенный уголь от -броезн. Критерий (Вг) рассчитывается по результатам измерений, которые п^изеодятся при расследованиях ГДЯ, с точностью до сотых долей еди-кпцы а округляется до дасктых ее долей. При Вг> 0,3 газодинамическое

явление квалифицируется как пкброс, при Вг<0,3 - обруаенио, сопро-воздагаеэся повигеннш газовцаелениоы.

2.Методика анализа особенностей газодинамических явлений, прои-зоведсих при вскрытии крутых пластов, заключавшаяся в учете самого факта явлений; сомнений членов комиссии, расследовавшей ГДЯ, о степени выполнения потивовыброижх мероприятий; в учето аффекта осыпания назисатаего угольного нассиса в метановой среде, а также полноты заполнения разрупенньм углем при выбросах выработок пологих пластов, проводимых сотрясательна взрыванием, и вскрываюих выработок при классических (безусловных), "условных" и "сомнительных выбросах".

3.Полонение о неэффективности усложнения противовыбросных мероприятий, заклвчагаегося в применении комплекса из двух способов предотвращения выбросов шзсто одного и оцениваемое предложенным нами рритэркеа , хнрактериэугопл нзпрорывний рост соотношения числа тагах случаеэ (выработок), которое но привело к сникенип числа выбросов в последние 30 лет.

4.Природа эффективности гидрорыхления как способа предотвращения выбросов заключается в последовательном разрушении сукествустаих мияротреаин и прорастании (образовании) новой их системы. Экспери -ментально в пахтнкх условиях доказана реальность интенсификации гид-рорыхлеиил га счет увеличения тоета (дебита) и давления нагнетания воды, приводящих к росту скорости образования и размеров зон безопасной разгрузка в призабытой части пласта примерно в 9 паз, епжеш:»

в 13 раз числа случаев неэффективности способа.

5.Разработка способа возведения донного каркаса, устраняющего установленные недостатки каркасной крепи из металлических труб и заключавшегося в применении для выбросоопасндк пластов, Емепаазио породы которых устойчивы; в применении патронирования: пенополиурета-ноеьос композиций, монтаже его в донной части скваэтт, вклочассе.1

пласт и различные по размерам,зависящий от коэффициента крепости,при-иыкаслие участки пород и приводящем к уменьшении изгибающего момента аркатуры более чем в 4 раза.

Обоснованность и достоверность научных положений, .выво_ддВ-_и ¿окомендпттий работы доказывает рассмотрение фактически произоседшх •

выбросов л обрушений с позиций современных представлений механизма ьыбросос, учптаваших возможность осыпаний угля нависавдих массивов в мзтановой среде; содержание в ней оценки достоверности численного значения критерия отнесения ГДЯ к выбросам и обрушониям, ошибка по которому не превыкает 2-3%, и подтьерндаотоя рассмотрением физической сущности установленных статистических зависимостей числа выбросов и обрушений от усложнения противовыбросных мероприятий, от гор-но-геологическ1- к условий, от работоспособности конструкций каркасной металлической крепи, от применения гидрорыхления.

Научное значение работы заключается в следующем:

- на основании представлений о различной полното заполнения выработки разрушенным углем при выбросах и обрусэннях во время создания критериального метода (способа) отнесения ГДЯ к выбросам или обручениям впервые удалось использовать те характеристики (показатели), которые болео сорока лет измерялись, но при квалификации ГДЯ но использовались: длина заполнения выработки на полков сечение (. ¡¡п ) и общий отброс разрешенного угля

- разработка методики анализа особенностей ГДЯ по данный расследований их специальными комиссиями позволила на основе фактических данных оценить не только эффективность применения способов предот-в(«яения выбросов, но и выделить их достоинства, недостатки, определить направленность созервенствования способов предотвращения выбросок;

- введение коэффициента услогзюиил противовыбросных мероприятий

как отнесения числа выработок, а которых применяют комплекс, состояний из двух способов, к числу, в которых используется только один из них, позволило не только сделать вывод о неэффективности применения в последние 30 лет комплекса способов, но и о необходи-мостч для конкретных горно-геологических условий выбирать онаиболее им соответствующий способ;

- доказательства реальности и высокой целесообразности интенсификации процесса нагнетания вода при гидрорыхлении, примоняваемся для предотвращения выбросов, являются научной основой для расширения области его использования на вкбросоопасных низкоприемистых пластах;

- исследование особенностей работы металлической труби (арматуры) в каркасной крепи позволило установить, что минимальный изгиба»« сий момент возникает при защемлении обоих ее концов и что снижение ее длины, имегаее место в донном каркасе, позволяет дополнительно угень-сять изгибавший момент еие более чем б 4 раза.

Практическое значение_работы заключается а разработке метод"» критериального отнесения газодинамических явлений, происходят;« при вскрытиях, к выбросам или обруяениям и совершенствовании. двух наиболее пироко применявшихся способов предотвращения выбросов: гвдрорыхлеиил и возведения каркасной крепи.

Реализащя_результатов £аботы_ заключаемся в следупаем:

- метод критериального отнесения газодинамических явлений, происходящих при вскрытиях, к выбросам или обручениям рехокендован !4ак-НИИ для промышленных испытаний на пахтах ЦРД (Приложение I);

- способ интенсифицированного гидрорыхления рекомендован комиссией ДонИИИ и ПО Дзержинску го ль для предотвращения выбросов в ларах, подготовительных и вскрывавших выработках на вахтах, разрабаты пп~ сих крутые выбросоопаснко пласты (Приложение 2);

- "Руководство по применения дойного каркаса при вскрытии крутых и крутонаклонных угольных пластов" согласовано Управлением Донецкого округа Госгортехкадзора Украины и утверядено ИакШМ,

Лядо&ц'.'я работы.. Основные полонеиия и отдельные результаты исследований докладывались и обсугдались на научно-технических соготах производственных объединений Дзержинскуголь и Артемуголь, ученых советах дон-ЧКИ, НакНИИ, ДаиШ.

Публикации.Основные результата исследований опубликованы в дьу;: монографиях и сссти статьях.

Обгом и ст^укт^ра 2aü°Ius. Диссертация состоит из сведения, пяти глав и заключения. Она содержит ПО страниц шсинописного текста, 32 риоунка, 10 таблиц, список литературы из 66 наименований и 3 прило-Г0Ш1Я на 12 страницах.

ОСНОВНОЕ ООДЕИШШЕ РАБОТЫ В доклада проф.Бнленко В.Л., сделанной па 1-й Всзсошиой коифа-ронции по технике безопасности и горноспасатсльноыу делу в какзнно-угольной промшлокноети (г.Сталина, 1932г.) и поспяззнном анализу, главным образом, результатов исследований аарубекных специалистов (Сранция, Бельгия, Германия и др.), впервые приводятся ограниченные сведении о сыбросо, произопэдпгм 20.I0.30p. при вскрытии крутого пласта líaaypua вспомогательные кьзра-агом.

3 конца сороковых годов квдтзываотся продполоиенио о еозмоеноо-ти предотвращения выбросов при сокрытиях ос счет возведения передовой крепи, получиваей наогание каркас. Проводятся три спита в шахте, два иа которых сопровождается выбросай»:.После первого на них наличие изогнутых стеранеП присело к предположении, что необходимо усиливать опера каркаса, сооружаемые о кверелаго. Усиление опор не иредотвра-т.у.ло cae один аыброс, но и но изменило инонио о кеобходошости eco бельевого усиления опор.

Следует констатировать, что кнопке о необходимости усиления опор не вытекало из рассмотрения механизма работы каркаса, ого опор. Mariiiül (Кричевс/им P.Ü.) делается вывод, что огадт использовании каркаса показал надежность способа при действии относительно небольших сил и зго следует рекомендовать пока для пластов с давлением гззоп не прз-BICTBSKM 10 - 15 ати.

Позеэ зтот вывод !'ак!Ш (Бобров И.В., Кричевский P.íí.) подтверждает, считая, что ранее имевпю место выброси при наличии каркасов-реэультат несовершенства их конструкций и что более прочные конструкции дали весьма положительный результат. Каркас как способ предотвращения выбросов рекомендуется применять теперь уже гтрн давлении газов но превыпангам 40 ати.'

Учитывая тот факт, что способы, разрабатывавшиеся ваучно-псследо-пательекмги институтами, включались в Правила безопасности (П5) .посчитали целесообразным сопоставить их содоряшио от издания 19.x5г. в издании 1977 и ISS9r.r. Оказалось, что вез способы предотвращения выбросов, содерг.ащ1еся з "Инструкции по безопасному ведения горных работ на пластах, опасных по внезапный выброса;! угля, породи и газа55 изд.1039г., есть и в ПБ изд. 1950г. Ко з названии?? почти сорокалетний период времени способы соварпонствовались, изменялись их napi -!«зтра, взгляды на природу и механизм выбросов, что обусловило нэоб-ходшгасть после хронологического анализа рассмотреть научныэ основы, эффективность новых peco пай, чтоб установить нздостатки норматив!!!.'* способов, определить порсг.ехтншость н направленность их совершенствования .

Анализ работ Вольской Н.Р., Боброва И.В., Еогко В.Л., Кэрагоди-

нз Л.Н., Нохако И.5.. Кричевского P.D., Недзкги О.Н., Оатрооскто СЛ.,

Пузирева Б.Н., Ратускова М.И., Табакова А.Г., Оилипьеяа Т.К. Додо -

Ta_B.B.,_Xop^H2er0_J3iTi,_4epH0ca О.И., Еевченке 11,1'., ¿¡¿укина В.Р. и г, - Далее для краткости "Инструкция" нзд.1977г. пли I9éjr.

др. приводит к обыему выводу о том,что мнении специалистов об оф-фоктивности одних и тех ко способов предотвращения выбросов (на -пример, каркас, сквавины) противоречивы, основывались на ограниченном фактическом материале, полученном в сравнительно короткие периоды времени,и заключались в ссылке на то,что "так установлено опытом" или "что выбросов на было", хотя оставалось неизвестным, реальной ли была в песте конкретных вскритий выбросоопасность. Такое полононие привело к решению использовать новый методический прием исследования: оценить особенности, эффективность, достоинства и недостатки прима -мявшихся способов предотвращения выбросов по материалам расследований ГДЯ специальными комиссиями (фонды МакШШ). Это решение позволило сформулировать цель работы так установление особенностей газодинамических явлений, происходящих при вскрытиях крутых выбросоопасных пластов с применением способов предотвращения выброса для разработки научно-технических решений, повыиаюдах их эффективность.

Многие выбросоопасные пласты, разрабатываемые шахтами ЦРД, одновременно язляются склонными к обрушениям. Рекомендаций по квалификации ГДЯ, происходящих при вскрытиях, "Инструкции" изд. 1977 и 1969г.г. но содоркпи, поэтому практически автоматически единственным критерием отнесения газодинамических явлений к выбросам остался угол откоса разруганного угля в выработка, но достигающий величины угла естественного откоса.

Значимость вопроса подтворхдает, во-первых то,что применение одного из способов предотвращения выбросов, например гидрорыхления, кокет повысить склонность вахтопласта к обрушаниям угля. С точки зрения безопасности труда нельзя применять специальные способы, которые би, устраняя опасность возникновения выбросов, увеличивали вероят -кость обрушений. Но чтоб такое разграничение было надежным,необходим и достаточно надежный метод' (численный критерий) квалификации

Во-вторых, когда при вскрытии угрожаемых и иэвыбросоопасных пластов происходит ГДЯ, которое квалифицируется как впервые произо-ведший выброс, то шахтопласт переводится в выбросоопасныэ с вытеканием из этого решения усложнениями ведения горных работ. Это еще в большей степени повышает необходимость критериальной квалификации ГЧЯ при вскрытиях.

Тагам образом, первая задача работы может быть сфорцулирована как разработка метода критериального отнесения газодинамических явлений к выбросам и обрушэниям. Особая ценность материалов расследования ГДЯ заключается з том,что они получены на участках пахтоплас- ■ • тов, реальность опасности которых доказана самим фактом ев проявления.

Второй задачей работы является исследование зависимости проявления выбросов и обрушений на вахтах ЦРД от глубины разработки к усложнения мероприятий - применения комплекса из двух способов предотвращения вместо одного.

Третья задача работы сформулирована как разработка методики уста-.новланил недостатков и возможностей их устранения для совершенствования двух наиболее широко применявшихся способов:' гидрорыхления и каркаса.

Эффективность предотвращения выбросов при вскрытиях обусловлиг-л-ется не только тем, какой способ для этого применен и с какими параметрами, но и в значительной мере размерами целика между забоем квершлага и угольным пластом - толщиной породной пробки. Это положение определяет необходимость четвертуй задачу назвать как наследования реальности и опасности самовскрытий пласта.

При поиске критерия отнесения ГДЯ к выбросу или обрусонип учитывал две газодинамические особенности разрушения призабойной части крутых пластов.

Первая сводится к тому, что при падении угля крутого газоносного пласта на подошву выработки он дополнительно разрукается Десорбиру-гаийся мотан (в среднем примерно 10...15 ыэ/т) неизбежно будет переметаться по выработке от забоя, увлекая в газовом потоке и разрушенный уголь. Угол откоса вполне может быть менее естественного откоса, определяемого в лабораторных условиях для практически негазоносного угля.

Во-вторых, ene о тридцатых годов известны случаи, когда отдельные опытные забойаики на шахтах ЦРД уменьшая приток воздуха в забой "добивались" снижения прочности угля для уменьшения затрат труда на его отбойку.

Проф.д.т.н. Артемов A.B. выполнил уникальные шахтные эксперименты, оценивавшие влияние на прочность угля призабойной части крутого пласта режимов проветривания. Полученные им результаты позволили установить, -что при ухудшении проветривания выработок на поверхности угольного забоя создается "газовая" или "метановая пленка", приводп-вая как бы к разрыхлению, скикенив прочности у пя, которое исчезает при восстановлении проветривания. Прочность угля через 15-30 мин после прекращения проветривания уменьшалась в 3-5 раз и иногда начиналось интенсивноо отслаивание угля, переходившее в обрушение. ,

При производстве взрывных работ во время вскрытия сахтопла&тов реяим проветривания кверылага из-за повреждений вентиляционного трубопровода нередко нарушается. Это приводит к тому, что вскрытый пласт оказывается в загазированной среде, способствушой возникновении самопроизвольного разруканил (осыпания) угля нависающего массива. Оно не может быть представлено как мгновенное обрушение, но одновременно не долено по динамичности разрушения рассматриваться как аналог выброса, ибо может возникать и протекать при наличии на по -вархностм угля "метановой пленки".

Практически общеприняты« ка соврсмэнком уровне представлением игханизма выбросов могио считать последовательное (послойное) разрушение - отрыв TOHttKx пластин угл;-:, возникающее на напрятанной npi; забойной части пласта еиработки и распространятгаеся ("продвигающееся") вялубь массива. Процесс разрушения тая г.а как и при обрусения но моззт быть отнесен к мгновением, ио интенсивность его протекания, кеобязателькооть условий создзгая "метановой пленки", дальность отброса угля, причудливость форм полостей, образукихся при разрушении, калачиа тонкодксперсной пили - бсс.зной »луки принципиально отлнчатт его от обрупзгай и обусловливают болеэ полноо заполнение выработки разруезшам углем.

Для доказательства' достоверности иэдояеншх положений ряссмотра-!2i деэ группа выбросов угля и газа. К первой отнзешгл выбросы, происходило во время проведения стрзяоз пологих пластов. Характеризует их то,что при каком-то обсей отброса раэрусггагого угля на различгых по протяженности участках стрекоз :гиээт кесто заполнено выработки на полнее сочсшш, поело которого очевидец откос разруганного угля.

Ко второй относятся ГДН, проксо^здпгт при вскрытиях. Приели к выводу, что большая динамичность выброса, чем обрупения долгша приводить, как в строках пологих пластов, и к болькзЯ дола заполнения разрусоинш углеа кверплагов на полноо саченио при вскрытиях. В качество критерия отнесения ГДЯ к выбросу или обрушзнио мокат быть принято отношение длины выработки, заполненной разрушенным углем на полное езчение, Ь, , к оь^ей длина отброса, :

Йг-

(I)

При Д7 » 0 получаем Вг =» 0, что доказывает иеобходи юсть относить ГДЯ к обрусекиям.

Сложнее определить численноо значение критерия Иг, которое позволит достоверно относить 1751 к выбросам и одновременно установить.

до каких значений Вг>0 газодинамическое явление должно относиться к обрушениям. Решая оту задачу, к рассмотрению приняли г>'броси, про-изошедЕИо при вскрытиях, которые назвали безусловными (классическими) и которые никак нэ могут быть перепутаны с высыпаниями, ибо полости, иии образованные, находились в подоиве половых выработок или ориентированы по простиранию плаота, под небольшим углом к нему. Таких случаев, по которым есть данные о заполнении выработок на полное сеченио и отбросе разрушенного угля, оказалось 13, по ним рассчитал критерий Вг. Он изменялся в пределах 0,40-0,91 и в среднем составил 0,61. После этого оставшиеся выброси разделили ешо на 2 группы: "условные" и "сомнительные", К условным отнесли выбросы, полости которых ориентированы в направлении восстания пласта и характеризуются динамичность» процесса ра^рув-иния: значительной величиной отброса разрушенного угля, нарушением крепи выработки, повреждением или отбросом оборудования, наличием "беиеной муки" и пр. В группе сомнительных выбросов содержится Ь2 случая, из которых в одиннадцати Вг » 0,0 и еше в десяти ко нее 0,30. В сорок одном случае .(66% !) Вг »0,30 и изменяется в пределах 0,30 - 0,Ь8. Детально рассмотрены то выбросы, у которых Ьг<0,30, Не следует оценивать это рассмотрение как какую-то ревизию или переоценку ценностей. Просто определенный этап развития научи, обогащенный новыми данными практики, позволяет и требует критериального уточнения методов квалификации газодинамических явлений для са-уч.чо обоснованного выбора и применения способов их предотвращения»

Решая задачу поиска критерия отнесения 1'ДЯ к выбросам или обрусе-нйям, необходимо было учитывать и еао одну особенность поиска. Если бы речь ала только о выбросоопасности, то методическая схема реоекия была бы очевидной: создан критерий, а пов;е этого надо ввеоти когф— фу.циент беэопаснооти - увеличить или уменьшить значение критерия в зависимости от его сущности. В насей случае все принципиально иначе.

Увеличение критерия Бг - это уменьяенпв количества ГДЯ, котормо будут откоситься к выбросам, что приведет к росту вероятности возникновения обрусений, но но к общему повышения безопасности.

Учитывал это, вновь обратились к рассмотрению выбросов угля и газа, произошедших при проведении подготовительных выработок пологих пластов с цэльо определения численных значений критерия Бг. Объектом исследования выбрали пахту им.Скочкнского ПО Донзцкуголь (пласт h^ Смоляниновсхий), при строительстве и эксплоатации которой произошло наибольпее по сравнении с другими вахтами количество выбросов.

Критерий Ё>г изменяется в пределах 0,26.. .0,65 при среднем значении 0Г я 0,55. Мотг.ко констатировать практически полное совпадений среднего значения с результатами, полученными для "безусловных" сыб-росоа при вскрытии пластов кверилагами (различие 9%), что доказывает достоверность критерия. Препдо чем сделать вывод о критическом (предельном) значении критерия В(- оценили точность его определения, за-висяауа от точности измерения величин заполнения разруганным углем выработки на полное сечение и отброса разрусэнного угля, произссвдших а результате газодинамического явления. Она была вьшолкэна по дан>шм о сыбросах, нмезЕих мес.о при проведении подготовительных выработок пологих пластов сотрясательным взрыванием и привела к выводу, что расчетную величину следует определять с точностью до сотых долей единицы и округлять до десятых долей, а критическое значение оэ принять равным 0,3. Опибка не превысит 2-2?.

Известно, что одним из наиболее достоверна продупреднтедьти признаков выбросов при бурении туров (скважин) является поаьачпке? газогвделекие - выброо птыба и газа из сквакин. В сести акта?: рис -следования ГДЯ бати отмечены эти признаки при перобуривании угольных пластов. Все они имели место при б^О.З; от 0,40 до 0,81 и а среднем 0,64.

Ранее уже говорилось, что в картотеке МакНИИ находится пять актов расследования ГДЯ, которые квалифицирована как обрусения. Ко времени регистрации обрусение три шахтошшста из пяти относились к Eti6pocoonacHt|í. Но ошибки в квалификации ГДЯ, произошедших на пластах lh и ICf вахт ии.Гагарина и "Снкоы", привели к тому, что их своевременно в категорию выбросоопасных т отнесли. Реальность их потенциальной выбросоопасности подтвердили выбросы угля и газа, произошод-еио в дальнейвем при разработке этих шахто^астов.

Анализ сведений о способах, применявшихся для предотвращения выбросов угля и газа при вскрытиях на сахтох ЦРД (рис.1), приводит к двум следущям выводам обзего характера.

Первый относится к объемам применения мероприятий, которые за пять лот (I978-IS85) и шесть следующих лет примерно одинаковы (939 и 1010 выработок). Второй относится к усло&нени.) мероприятий, ибо для предотвращения гибросов применялись или отдельные способы ¿Í, (гидрорыхленйе, каркас, скваиины и т.д.), или комплекс, состоящий из двух способов, . В первые пять лет отдельные способы применялись в 620 выработках, а комплекс в 319. Относоние вт jphix к первым коеот рассматриваться как критерий усложнения мероприятий:

(2)

Он для этого периода времени составил 0,5, для вести следугаих лот <1988 - 1993) возрос до 0,8, а для трех последних лет ^ « 1,1 -число выработок, где применялся комплекс мероприятий, на 10% уже превосходит число выработок, э которых применяли только один из способов предотврадения выбросов. Однако увеличение числа выработок, в которых применялся комплекс мероприятий, сопровождалось на уиеньсо-нием, а ростом числа ГДЯ (рис.1).

Из анализа данных МакНИИ (Приложение 3) следует, что средняя глубина выброса возросла примерно на 300 и, юс средняя интенсивность

Рис. 1. Зависимость числа выбросов (М ) - 3. обрушений (М) - 1 и коэффициента усложнения мероприятий (Ку) - 2 от периодов времени применения (Т, годы)

Рис.2. Эскиз выброса, произошедшего на шахте им.Румянцева ПО •Артемуголь" при вскрытии гшаста (5) промквершлагом (2) на гор.850 м: 1-полевой штрек, 3 - положение забоя на момент производив» бзрива, 4 -разрушенная порода, 6 - устье полости, 7 - разрушенный пыброссм уголь.

почти на 25$ уменьшилась, если рассматривать выбросы, произошедшие в момент обнажения пласта. Попытка оценить динамику изменения интенсивности выбросов, происходивших при наличии и отсутствии обнажений, на увенчалась успехом из-за малости выборок (7-Н случаев) и большого разброса данных, характеризуюоих выбросы при наличии обнажений. Из расчетов следовало, что необходимое для анализа число исходных данных долглэ быть на порядок большэ. Но для всей совокупности данных в среднем интенсивность выбросов, происходивших при наличии обнажений пласта (28 случаев), оказалась в 1,5 раза больше, чем происходивши при обнажении пласта (77 случаев).

При разработке методики оценки эффективности способов предотвращения выбросов по материалам расследования ГДЯ руководствовался двумя следу ¡жщ ми основными методическими положениями.

Во-первых, изучались обстоятельства ГДЯ, глашшм образам, происходившие с 1978г., т.е. после утверждения "11нструкц;:!;" язд,1977, 1989 г.г. и только тех случаев, в которых применялись способы предотвращения выбросов. Наличие в материалах расследований сомнения в правильности выполнения мероприятий исключало их оценку.

Во-вторых, заключение комиссий о неэффективности способа предотвращения выбросов принималось, если ему полностыз соответствовали объективные данные расследования, отсутствовала противоречивость.

За период 1978 - 1994г. зарегистрировано 15 выбросов угля и газа, когда для предотвращения выбросов применяли гидрорыхление как самостоятельный способ или в сочетании с каркасом. В пяти из четырнадцати случаев В/^О.З, следовательно, почти 40% зарегистрированных выбросов - это обрушения.

Гидрорыхлоние на вахта "Коцдратьевка" о 1934г. производилось через 5 скважин, давление нагнетания составило 281 ати. Такое высокое

давление, доказывая очень >ызхуя проницаемость участка пласта, обусловливает незначительные объемы подачи в него воды (доли литров в мин), что и приводит к неэффективности способа. Следовательно, увеличена темпа (дебита) нагнетания воды может рассматригать как на -правление совершенствования гидрорыхления угольного пласта парад его вскрытием.

При анализе опыта возведения каркасной (металлической) крепи перед ГДЯ исключили случаи применения ее в комплексе со способами,основанными на нагнетании воды и обратили вникание на работу каркаса как конструкции.

На шахто им.Калинина (1984г.) по критерия Вг=> 0,22 имело место обрусение, но при этом каркас сохранился, поарездена (загнута) псего лишь одна труба.Такой факт требует более детального рассмотрения механизма работы каркасной крепи как средства предотвращения газодинамических явлений с цель» совершенствования способа.

На вахте "Кондратьевка" (1993р.) выброс при вскрытии произошел впервые. В описании его причин говорится о том,что при производстве взрывных работ имело место первоначальное обрушение слабых пород поч вы пласта с каркасной крепью в породах ввода выработки. Такой факт заставляет сомневаться в целесообразности возведения металлической каркасной крепи, если породы, в которых находится свод кверзлага, представлены малопрочными глинистыми,углистыми разностями, ибо каркасная крепь не работает как единая конструкция.На имеют физического смысла ресения об усилении единой для всех труб (прутьев,рельсов) металлической или ж.елеэобетонной опоры в квершлаге.

Из излокенного объективно не следует вывод об эффективности заз • ведения металлической каркасной крепи и в целом подтверждается мнение о необходимости совершенствования ее конструкции.

Количество выработок, в которых применяли гидрорыхление, в том число и в комплексе с каркасом оказалось наибольшм (^560), число выбросов - 3, что составило » 0,Ъ% от объемов применения. Направление совврЕанствования способа уке было определено - увеличение дебита и давления нагнетания воды.

Гидрокшыванио пласта (426 выработок, I выброс) элективно примерно так же, как и гидрорыхлоние: доля вибро„ов=0,4£.

Из-за незначительного объема применения способов, основанных на нагнетании воды (увлашенпо; использование ПАВ; добавок, пласткфици-руших пласт; гидродинамического воздействия), объединили их в группу, названную в целом гидрообработкой. В ней оказалось 226 выработок и 7 выбросов, что составило ЭЙ, т.о. почти на порядок больше,, чем для гидрорыхления и гидровымиБшш пласта. Опыт применения их настолько ограничен, что говорить о возможности их совершенствования преждевременно.

Многие выбросоопасныс сахтопласты ЦРД по гидрологическим свойствам характеризуются весьма низкой приемистостью текучих и поэтому гидрорыхленио ниокоприемистых пластов но обеспечиваот необходимого изменения газодинамического и напркженко-деформироЕанного состояния пласта.

Природа импульсивности давления нагнетания при гидрорыхлении мокет быть объяснена тем, что вода в первоначальный момент нагнетания подается в практически ^-проницаемый угольный пласт под давлением, которое не обеспечивает процесс её фильтрации. Для того чтобы раэрусить суцествукцув микротрещину или образовать новуа, окергии воды тояе недостаточно и поэтому давление ее растет.

При достижении определенного значения давления (энергии воды) происходит прорыв или микрогидроразрыв пласта - образование новой

1У '

ииггротрзшшц. Он непременно ссяровогдэзтоя уменьпонием давления нагнетания :: пссяедукгзга его ростом.

Следовательно, гидрорыхление, независимо от того, производится оно в подготовительной выработке, лаве или перед вскрытием, представляет собой целую серии последовательных микрогид.©разрывов, сопровождающихся созданием новой системы микротрешш, т.е. имеет мзсто процесс, который по своей физической сущности может быть интенсифицирован.

Вполне могло предполагать существенно более значительное по глубине скБдгиш и прссгараши пласта гидрорыхленио, ибо одно и то яз число микроразруеений за одинаковое время з базовом варианта ( С ¡Г ) будет мекьиэ, чь-м в варианте интенсифицированной гидрообработха ( «¡<Г) *

Экспериментальные исследования по отработка технологии интенси^и-цчрс-анного гидрорихления, определению параметров и ецзнке его с*,>\ек~ т::с:!Остя были гаполг.екы в условиях откаточного штрека выбросоопасного ¡шзпоприемистого сахтопласта /Гд Каменка ¡тахты им.Дзерхинского. Они подтвердили реальность интенсифицированного гидрорыхления при увеличен::;! теста и давления нагноташ!я, которое было достигнуто за счет '.'лрикскскля усовсрг!зяствовашюП насосной установки УГВ 1-9Т. Исследо-зан;!й провеса нагнетания вкличхю насколько функционально различаю-гахся этапов и режимов нагнетания, эффективность которых оценивалась г.э дашяп измерений динамики газовыделения. Было установлено, что число случаса кдо^сктивности гидрорыхления уменьсилось в 13 раз, I. глубина зоны разгрузка увеличилась о 0,5 до 4,Ь м/см.

Труба каркаса представлена как балка и рассчитано, что мзльнкз изгибапкие моменты и прогиби еэ будут при установка в сква-кину без засямления. При защемлении одного конца они умеиьваюгек

соответственно в 2,4 и 2,7 раза, а при заземлении обоих концов - в 5 и 3 раза. Эти результаты привали к созданию донного каркаса, особенностями которого является то, что рекомендуется применять его на пластах с .устойчивыми выегиикзиыи породами,и что монтируется он в донной части сквакин, включаодой угольный массив ) и участки пород

до и за ним (2с). Донная часть скважин заполняется патронированными снроплягаими композициями на длину каркасного элемента С - ¡»'■¿¿к затем с помощью специального устройства, производится разрушение и перемешивание патронированных композиций, сопровождающееся реакцией поли-

новки, когда оба конца арматуры зааемляэтея, 'изгибающий момент умень-штсл при применении донного каркаса дополнительно в 4,3 раза.

Предназначение породной пробки - предотвратить т.н. "самовскрытия" пластов, впервые описанные в начале семидесятых годов и- представ, ленныо как ео выдавливания силами горного и газового давления.

Слокная форма целика между забоем квершлага и угольным пластом обусловит основные особенности его разрушения. Н"иболев убедительно ошибочность представления о выдавливании породной пробки доказывав? выбросы, произошедшие на шахтах им.Румянцева 07.00.82г. и им.К.Маркса Об.05.89г. От очень похожи и принципиально их объединяет то, что целики меяду угольным пластом и забоем промквершлага остались неразрушенными, не выдавлены. Обрушились породы почвы пласта над проектным контуром вскрываших выработок, выие него обнажился пласт, здесь ке находится устье полости, образованной выбросом (рис.2).Такой характер развития газодинамических явлений может иметь место только в условиях где над проектным контуром выработки залегают малопрочнь'е породы, об-, рушащиеся при производстве взрывных работ.Это дает право утверждать, что самовскрытий-выдавливаний породных пробок при вскрытии крутых пластов квершлагами на шахтах ЦРД нет, что подтверждает опыт ведения таких работ в последуюане примерно 30 ль:.

мзризацш;. Для пластов мощностью = 1м и

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследования позволяют сделать вывод о том,что получено новое решение актуальной научной задачи, состоящей з совершенствовании способов предотвращения выбросов при вскрытии крутых пластоз кверилагами.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты.'

1.K семидесятым - девянос?ым годам инструкции • по безопасному ведению горных работ на глхтах, разрабатывающих выбросоопасные пласты, но содержит рекомендаций по квалификации газодинамических явпзний, происходящих при вскрытиях, поэтому единственным критерием отнесения ГДЯ ;с выбросам остался угол откоса разруганного угля в подготовительной выработке, не достигающий величии* естественного откоса. Современ!!ыз представления о механизме разрусэния угля при выбросах а учетом изменения его прочности на обнаяениях в метановой среде позволила утверждать более полное заполнение выработки при выбросах,чем при сбругенилх во время вскрытий крутых пластоз. Предлогом и обоснован новый критерий отнесения ГДЯ и выбросам и обрущешям. По фактическим дйН!плл о сыбросах, произоиодиих при проведении подготовительна выработок пологих пластов сотрясательным взрыванием, и "классических" выбросах, произошздеих при .вскрытии крутых пластов, рассчитан критерий Вг, установлено предельное (критическое) значение,доказана достоверность отнесения по нему газодинамических явлений к выброса!! и обрупониям.

2.Установлено, что усложнение противовыбросиых мероприятий,оцо-нарае«ов по предлоязкнему нами критерия ^ , заключающемуся а отио-пзнни числа выработок, в которых применяют комплекс из двух елссобоа предотвращения выбросов, к числу выработок, а которых применяют только один из них, за пооледнио почти 40 лет не предотвратило реет числа но только выбросов, но и обручений угля при вскрытиях.

Zk

3.Рассмотрение физической сущности еффективности гидрорихления как способа предотвращения выбросов позволило предполагать, что процесс этот для гаюкоприемистых выбросоопасных пластов моает быть интенсифицирован за счет увеличения темпа (дебита) и давления нагнетания воды. Эксперименты, выполненные в сахтюл условиях, доказали реальность интенсификации гидрообработки.

4.Установленные недостатки возведения каркасной крепи из металлических труб устранены за счет создания донного каркаса, основным« особенностями которого является то,что рекомендуется он для пластов, вмещающие породы которых устойчивы, что использувтся патронированные пенополиуретановыэ композиции, что устраняется процесс извлечения труб и что монтируется он в донной части сквагик.

5.Исследование суаноа-ти предназначения породной пробки - целика между забоем вскрывзюпей выработки и крутым пластов, а также реальности самовскрытий привело к выводу, что всо выбросы за болеЭ чем сорокалетний период времэни произовли при производство взрывных работ и что они не являются результатом выдавливания целиков силами газового и горного давления. За 1977- 1995 и 1953 - 1976г.г. число выбросов практически осталось неизменный (соответственно 53 и 52), но число обрушений возросло почти в 4 раза (соответственно 5 и 19). Предотвратить обрушения проще всего можно за счет уменьвения величину подвигания вскрывающей выработки за цикл, что потребует уменьсения толщины породной пробки, которое допустимо при вскрытии крутых пластов до*величины ке менее I м, позволяемой обнажать пласт во всем проектном сечении вскрывающей выработки за одно взрывание.

Наряду с перечисленными основными, полученными при выполнении исследования результатами, были установлены несоответствия нормативных положений, содержащихся в "Инструкциях" кзд.1977 и 1939г.г.,единому методическому подходу к решении проблемы выбросов, относяяемуся

к вскрытиям, лавш, подготогителыгла пласта с кг выработкам.Например, п лавах при применении гидрорыхлення расстояниэ мезду скваштами.че-рзз которые оно производится, не должно превышать 2 эф. В подготовительных выработках выход гидрообработки за проектный контур дол-

кон быть а пород вскрытиями - не мэнез чем 4м.

/

а связи с изложенным по направленности дальнеЛтих исследований рэкомендуется реализация единого методического подхода к:а к выбору параметров тех способов првдотзравения выбросов, которнв применяется при вскрытиях, а лавах н подготовительных выработках, так и к контролю эффективности пргавнзния таких способов. В частности, моето констатировать, что скваяин определяется по росту газоввделения из слуров, пробуренных на различных расстояниях от к:с, а эффективность устранения выбросоопасности пзрэдвскрытиями по-преннзму по уменьшения давления газов.

Оанатшо положения диссертации опубликованы в работах:

1.Вакритке крутых выбросоопасных угольных пластов // Калфакчиян А.П., Воробьев Е.А., Ацдрээв С.Ю. и др.- Днепропетровск: Скч.~ 1992,151 с.

2.Софийский К.К,, Кал$акч;ши А,П., Еоробьов Е.А. Нетрадиционные способы предохЕраазызд выбросов и добычи угля.- Ы.: Недра," 1901.-192с.

3.Воробьев Е.А. Новые способы иродотврацошш Еыбросоо угля и rasa при вскрытии крутых гесагтов //Уголь У;;рз;па,- 1 £91.- № 2.» С.25-26.

4.Опит интенсифицированной гг&рсобработкп ш;.п;оириг:лпстого Еиброео-опасного угольного пласта // Кочетов В.Г., Душной И.И.,Воробьев Е.А. и др.- Уголь Украины.- IS92.- 1? 2.- С.43-15. "

Б,Руководство по ера-лесища дойного каркаса при сокрытии крутых и крутоншыюшк.™ угольных втосгоо.- Доиег^:: ЦШПИ угольной припая¿¡и-носга-10Э2.- Юс.

G.Воробьев Е.А. Cr.napüuiiCTüöbaif.m способов предотвращения ьибросоз угля н rasa при покрытии крутых пластов КЕоралагаш //ihr,остил Донецкого горного института,- IS95.~ № I,- С.70-72.

7.Н;шолин В.П., Ara4¡oíioi) A.B., Воробьев Е.А. Способ критериального отнесения гаэодинамкчоских яелсплй к сыбросг:.; и обруезшям// Уголь Украины,- 1995.- Р II. C.I.-I9.

8.Агафонов A.B..Воробьев Е.А., Нваззош Е.Д. Анализ опыта прэдотвра-Есния выбросов угля и газа во оскравашмх и розроэних выработках

• крутых пластов // Извостия Донецкого горного института.- 1995г. - J? 2, - С.64-67.

У

30Р0БVlCB 6.0. Уросконалення cnocotfie запоб!гання викид1в вуг!лля та газу при роэкритй крутих пласт!в • квершлагами.

Дисертац1я /рукописУ на здобуття вченого стуленя кандидата технхчних наук за фахом 05.26.01 - охорона працг, ДонИУ, Донецьк, 1996. М1стить теоретичрх та експерементальнх досл^дження, якг дозволять розробити метод креториального вхднесення газодинам!чних явищ до викид!в вугхлля та газу чи обрушуванням, виявлено, що ускладнення противикидних заход!в не приэвело до зниження числа викид1в', а Гх хнтенсивнгсть при зб1льшенн! глибини розробки змеишилась на 25%. Уросконалюзанх два найб1льш широко застосован! способи: г!дророзпушення, за рахунок !нтенсифхковано! гтдрообробки; каркасне мета-леве кр!плення, за рахунок створення донного каркасу. Зрхйснено промислове впровадження названих розробок.

Ключов1 слова; газодинам!чне явище, викид вуг£лля та газу, обрушування, розкриття пласта, породна пробка, саморозкриття.

E.A.Vorobyev. Improvement of the mtthods concerning prevention of coal and gas outbursts when opening steep seams by crosscuts.

The thesis (manuscript) submitted for a degrea of the'candidate of technical sciences in the field 05.26.01. - labour safete protection. Donetsk state Technical 'University, Donetsk, 1996, contains theoretical and experimental research which made it possible to have developed a method consisting* in by criteria classifying gas dynamics phenomena as related to gas and coal outbursts or caving; ir is ascertained that the further complication of outburst preventing measures does not bring about a reduction of the number of outbursts, and their intensity is reduced by 25% when going down to greater working depth. The two most widety employed methods are improved: hydraulic loosening, by intensified hydraulic treatment; framework metal suppovt, by making a bottom framework. An industrial adoption of the above developments is carried out.

Сдано в производство /Z,0/.9G Формат 60x90/16.

Офс.печ. Тираж/¿'О. Заказ OS. Уч.-шдл. /,0

ЦБНТИ угольной промьиилвтости

Цех оперативной полиграфии

U0000 ¿.Донецк, ул. Артема, 60