И внезапных выбросов. Опыт показывает, что наиболее радикальным является применение региональных мер, которые позволяют своевременно выявить пласты

Опыт показывает, что наиболее радикальным является применение региональных мер, которые позволяют своевременно выявить пласты, слои пород, залежи или крупные участки шахтных полей, опасные по горным ударам или внезапным выбросам, предусмотреть проектом и осуществить на стадии вскрытия и подготовки рациональные решения, приемы и последовательность ведения горных работ, которые полностью устраняли бы опасные динамические проявления горного давления или сводили их к минимуму.

О том, насколько это важно, свидетельствует приводимый профессором И. М. Петуховым пример шахт Кизеловского бассейна, где главные трудности решения проблемы борьбы с горными ударами были обусловлены тем, что к борьбе с горными ударами приступили лишь тогда, когда они начали проявляться в большом количестве и с большой силой. Однако к этому времени многие основные горные выработки на ряде шахт и горизонтов были пройдены без учета опасности проявления горных ударов, проектами предусматривался неоптимальный по фактору горных ударов порядок развития горных работ, применение неблагоприятных систем разработки. В связи с этим потребовалось свыше десяти лет, чтобы перестроить работу основных шахт бассейна с учетом удароопасности пластов.

Опережающая отработка защитных пластов.

Основным и наиболее надежным из региональных мероприятий по предотвращению горных ударов и внезапных выбросов является опережающая отработка защитных пластов. Сущность ее состоит в следующем.

Залежь, пласт или слой полезного ископаемого, опасный по горным ударам или внезапным выбросам, предварительно подрабатывают или же надрабатывают другим пластом. В процессе подработки (надработки) в определенных частях массива в результате деформирования и перемещений горных пород возникают зоны разгрузки, т. е. зоны пониженных напряжений, что делает разработку ударо- или выбросоопасного пласта в пределах этих зон безопасной.

Пласт или слой, отрабатываемый первоначально, называют защитным, а пласт, залежь или слой, опасный по горным ударам или внезапным выбросам, отрабатываемый вслед за защитным, — защищаемымили подзащитным.

В выбросоопасных пластах, слоях и залежах наряду с разгрузкой от напряжений при отработке защитного пласта (слоя) в результате разрыхления сдвигающихся пород и образования в них трещин, кроме того, происходит дегазация, вследствие чего снижается газонасыщенность и давление газа, и это также устраняет опасность внезапных выбросов.

На рис. 11.4 представлена схема изменения напряжённо-деформированного состояния массива в пределах области влияния очистной выработки по защитному пласту (слою).

Рис 11.4. Схема изменения напряжённо-деформированного состояния массива в пределах области влияния очистной выработки по защитному пласту (слою).

1 — контур области влияния выработки, 2 — зона опорного давления, 3 — зона разгрузки, 4 — зона полных сдвижений, 5 — зона обрушения, 6 защищенная зона, 7 — эпюры опорного давления на различных расстояниях от очистной выработки в массиве пород.

В области влияния очистной выработки выделяется зона опорного давления,где напряжения возрастают по сравнению с напряжениями в нетронутом массиве, и зона разгрузки, где напряжения ниже, чем в нетронутом массиве. Степень снижения напряжений в пределах зоны разгрузки по мере удаления вверх и вниз от выработки затухает. Часть зоны разгрузки, где напряжения снижаются в такой степени, что разработка становится безопасной по горным ударам, называется защищенной зоной.

Для обеспечения эффективной защиты от внезапных выбросов необходимо выполнение ряда дополнительных условий; в частности, снижение давления газа в опасном пласте, уменьшение газоносности угля и повышение его газопроницаемости. Обычно снижение давления газа в опасном пласте до уровня 5—8 кгс/см², происходящее под влиянием опережающей отработки защитного пласта, обеспечивает надежное предотвращение внезапных выбросов.

Газодинамическое состояние выбросоопасного пласта при его подработке и надработке одновременно определяется характером изменения напряженно деформированного состояния массива горных пород междупластья и интенсивностью дегазации пласта по эксплуатационным трещинам, образующимся в толще пород в результате их подработки и надработки.

В свою очередь, степень дегазации подрабатываемого (надрабатываемого) выбросоопасного пласта зависит от интенсивности образования системы газопроводящих трещин, их размеров, протяженности и местоположения, т. е. от газопроницаемости междупластовой породной толщи.

Поскольку преобладающей формой деформирования горных пород выше зоны обрушения над очистной выработкой является последовательный прогиб слоев с разрывом и без разрыва сплошности, в массиве происходит раскрытие природных трещин и микропор, а также образование техногенных трещин разрыва, которые создают системы газопроводящих каналов в породной толще между выбросоопасными и защитным пластами.

При прогибе подрабатываемых и (в значительно меньшей степени) надрабатываемых породных слоев, за пределами зоны интенсивного развития и раскрытия трещиноватости, могут образоваться полости расслоения пород, которые заполняются газом, десорбировавшимся из частично разгруженных угольных пластов. Скорость десорбции газа из угля находится в тесной зависимости от зияния и скорости развития газопроводящих трещин. Раскрытие природных и образование техногенных трещин в междупластовой породной толще может повышать газоотдачу подзащитных угольных пластов на 2—4 порядка по сравнению с природной.

В результате нарушается состояние природного динамического равновесия системы “уголь—метан” в под - и надрабатываемых толщах, при этом остаточное давление метана в подзащитном угольном пласте, определяющее остаточную газоносность его угля, зависит (при прочих равных условиях) от степени нарушенности техногенными трещинами междупластовой породной толщи.

На основании инструментальных измерений установлено следующее условие образования газопроводящих трещин в подрабатываемых слоях при пологом залегании пластов:

М250

----£----------,(11.14)

m e_кр 10³

где М—мощность междупластья, m—вынимаемая мощность пласта; e_кр —относительная деформация растяжения, при которой происходит разрыв сплошности пород.

Расчеты по формуле (11.14) и натурные наблюдения показывают, что по степени дегазации подработанный массив горных пород можно разделить на следующие четыре зоны (при пологом залегании пластов):

I— при М / m £ 25в любых осадочных породах образуется сквозной газопроводящий канал;

II— при 25 < М / m < 80 секущие трещины в массиве горных пород не образуют единую газопроводящую систему, вследствие чего на пути движения газа от выбросоопасного пласта к защитному появляется дополнительное сопротивление;

Ш— при 80 < М / m < 125, сквозные секущие трещины не образуются даже в песчаниках (e_кр ³ 0,003) и газ от выбросоопасного пласта к защитному перестает поступать, но уменьшение давления газа в выбросоопасном пласте всё же происходит вследствие его миграции во вмещающие расслоившиеся породы;

IV— М / m >125 секущие трещины в осадочных породах, включая угольные пласты, не образуются совсем.

При залегании выбросоопасного пласта в пределах первой зоны происходит практически полная дегазация угля, при этом остаточное давление газа в нем практически не зависит ни от природного давления газа, ни от радиуса дегазации — соотношения М/m.

При залегании выбросоопасного пласта в пределах второй зоны дегазация его происходит менее интенсивно, чем в первой зоне, причем степень дегазации находится в обратной зависимости от соотношения М/m. Остаточное давление газа в подработанном пласте в этих условиях мало зависит от природного давления.

В третьей зоне происходит частичная, временная дегазация выбросоопасного пласта за счет миграции части десорбировавшегося газа в трещины, образовавшиеся в окружающих пласт породах. Остаточное давление в этих условиях существенно зависит от природного давления газа в пласте.

В четвертой зоне дегазация подрабатываемого выбросоопасного пласта практически не происходит вследствие большого удаления его от вынимаемого защитного пласта.

Исключительную важность имеет соотношение развития горных работ в пространстве и во времени по защитному и защищаемым пластам, слоям или залежам, с точки зрения предотвращения их повторного опасного нагружения. Эффект повторного нагружения можно проследить на примере развития горных работ по простиранию пласта (рис 11.5).

Рис 11.5. Перемещение зон опорного давления и разгрузки по мере развития горных работ по простиранию (зоны разгрузки со стороны неподвижного и двигающегося забоев оконтурены штриховой линией)

IиII — положение забоя в различные моменты времени.

При положении неподвижного забоя в точке А, а перемещаемого - в точке Б, в массиве образуются защищенные зоны, оконтуренные на рис. 11.5 штриховыми линиями. Очистные работы по смежным защищаемым пластам необходимо развивать таким образом, чтобы линии очистных забоев по этим пластам не выходили из контура защищенных зон. При отставании очистных работ по защищаемому пласту забой может оказаться в зоне опорного давления, создаваемого со стороны выработанного пространства защитного пласта, т. е. оказаться даже в более неблагоприятных условиях, чем это имело место при отсутствии разработки защитного пласта.

При опережающей отработке защитных пластов необходимо учитывать, что разгрузка от напряжений происходит практически мгновенно и распространяется на большие расстояния, в то же время изменение газодинамического состояния происходит существенно медленнее. Вследствие этого для усиления эффекта защитного действия под- и надработки обычно осуществляют путем дополнительной искусственной дегазации скважинами.

Примечательно, что газонасыщенные породы после их дегазации приобретают более высокую прочность и в некоторых случаях становятся опасными по горным ударам.

Свиты пластов в зависимости от местоположения защитного пласта могут разрабатываться в нисходящем, восходящем и смешанном порядках. В тех же случаях, когда опасными являются все пласты свиты, в качестве защитного следует выбирать наименее опасный и наиболее перспективный с точки зрения защитного действия пласт, отработка которого должна вестись как одиночного.

Планируя развитие горных работ по защитному и защищаемым пластам, устанавливают границы защитного действия пласта, разрабатываемого в первую очередь. Они зависят от мощности междупластья, ширины очистного пространства по защитному пласту и угла падения пород.

При слоевой разработке пластов или залежей, опасных по горным ударам или внезапным выбросам, первый отрабатываемый слой является защитным по отношению к остальным слоям.

Ведение горных работ в пределах полностью защищенных зон исключает возможность проявления внезапных выбросов угля и газа. Однако в практике горного дела нередко встречаются случаи частичной защиты, когда для усиления защитного действия под- или надработки необходимо применять дополнительные мероприятия. Это связано с тем, что зона разгрузки распространяется в кровлю и почву пласта значительно дальше (в 2—2,5 раза), чем зона полной защиты.

Кроме искусственной дегазации выбросоопасного пласта с помощью скважин для усиление эффективности защитного действия под- и надработки в качестве дополнительной меры применяют нагнетание воды в пласт, вызывающее раскрытие пустотностей в зоне разгрузки. Весьма эффективным является также применение закладки выработанного пространства выбросоопасных пластов.

При отработке защитного пласта не допускается оставление целиков, поскольку при этом могут возникнуть высокие концентрации напряжений на локальных участках массива.