И внезапных выбросов.

В отличие от региональных действие локальных способов ограничивается призабойной частью массива в подготовительных или очистных выработках. Предложено большое число локальных способов, применяемых в тех или иных горно-геологических условиях. При этом в ряде случаев одновременно применяют несколько способов в оптимальном их сочетании для конкретных условий.

По характеру воздействия можно выделить следующие группы локальных способов:

а) снижение напряженности призабойной части массива;

б) изменение прочностных и упругих свойств призабойной части массива;

в) дегазация призабойной части массива;

г) провоцирование небольших по силе динамических проявлений горного давления.

Способ бурения опережающих скважин применяют в качестве локальной меры предупреждения горных ударов и внезапных выбросов в подготовительных и очистных выработках. Он способствует как уменьшению напряженности, так и изменению механических свойств призабойной части массива, а также ее дегазации.

Скважины бурят перпендикулярно к забою выработки, пересекая ими зону повышенных напряжений. Вокруг скважин возникают области предельного напряженного состояния. Если скважины пробурены достаточно часто, эти области взаимно перекрываются, в результате чего призабойный массив в той или иной степени разрушается. Одновременно через скважины происходит интенсивная дегазация. Зона повышенной концентрации напряжений перемещается в глубь массива.

В ряде случаев, требующих более эффективной дегазации, наряду с опережающими бурят бортовые скважины, направленные в сторону стенок выработок. Эти скважины относительно мало изменяют напряженное состояние окружающего массива, но обеспечивают более интенсивное снижение давления газа, т. е. существенно активизируют процесс дегазации.

Следует подчеркнуть, что, в отличие от региональной дегазации, в данном способе увеличение диаметра скважин обеспечивает больший эффект. Длина скважин не ограничивается, но в очистных забоях наиболее часто бурятся скважины длиной 15—20 м диаметром 80— 250 мм.

Бурение опережающих скважин наиболее эффективно в подготовительных выработках, при ведении же очистных работ оно связано со значительным снижением добычи и, кроме того, требует больших объемов буровых работ.

Способ создания разгрузочных врубов и щелей. Создание опережающего вруба, щели либо нескольких щелей приводит к более интенсивному неупругому деформированию массива вокруг этих полостей, чем вокруг отдельных скважин (цилиндрических полостей). Опережающий вруб создают бурением сближенных параллельных скважин, отстоящих одна от другой на минимально возможном расстоянии. Целички - стенки между скважинами при бурении разрушаются. Таким же образом создают разгрузочные щели (рис 11.6).

Рис 11.6. Создание разгрузочной щели бурением параллельных шпуров с применением шаблона.

Для предотвращения внезапных выбросов угля и газа при проведении подготовительных выработок смешанными забоями создают разгрузочные щели и полости во вмещающих породах. Выбуривание полостей производится обычно на расстоянии 0,5—0,6 м выше опасного пласта, высота полости принимается 0,15—0,20 м.

Наряду с буровым способом для создания опережающих полостей применяют также гидровымывание.

При проходке выработок в выбросоопасных песчаниках иногда применяют способ локализации выбросов, основанный на использовании опережающего вруба, площадь которого не превышает 1/3 общей площади забоя. На последующей стадии взрывают серию шпуров, расположенных концентрически относительно опережающей выемки, доводя сечение выработки до проектных размеров. При таком порядке взрывных работ резко снижается вероятность выбросов, а если они все же происходят, то имеют меньшую интенсивность.

Способ возведения бутовых полос широко применяют при проходке выработок в условиях, опасных по горным ударам. Проходку ведут широким ходом с раскоской, которую заполняют породой и кострами. Ширину раскоски в каждую сторону принимают равной 3—6 кратной мощности отрабатываемого пласта или слоя.

Этот способ предусматривает не предотвращение горных ударов, а эффективную защиту людей и оборудования на случай горного удара. Создаваемая породная подушка гасит силу удара и предохраняет выработку от разрушения

На рис 11.7 в качестве примера приведена схема проходки и поддержания уклонов, рекомендованная для условий разработки удароопасных угольных пластов Кизеловского басссйна.

Рис 11.7. Схема проходки и под-держания уклонов в удароопасных условиях.

I — на момент проходки; II — на момент окончания процесса сдвижения пород; 1 — уклон 2 — часть бутовой полосы, выкладываемая на глине.

Способ камуфлетного и сотрясательного взрывания.

Камуфлетное взрывание представляет собой взрывание заряда внутреннего действия, при котором происходит рыхление горной породы в глубине массива и трещинообразование в окрестности заряда, не сопровождаемое отбрасыванием разрыхленной породы в выработку. В отличие от этого сотрясательное взрывание — это взрывание заряда внутреннего действия без рыхления горной породы. Основная часть энергии сотрясательного взрывания расходуется на возбуждение упругих колебаний массива в окрестности заряда.

Эффект камуфлетного и сотрясательного взрывания достигают путем выбора соответствующих конструкций заряда, ВВ различной бризантности, последовательности взрывания шпуров в комплекте.

При взрывании камуфлетных зарядов в призабойной части массива происходит снижение концентрации напряжений, зона опорного давления перемещается в глубь массива, нагрузки в призабойной части массива распределяются равномернее и на более значительной площади. Разрыхленная и расчлененная трещинами краевая часть массива служит также препятствием для проявления горного удара или внезапного выброса в сторону выработки.

При сотрясательном взрывании динамические напряжения накладываются на статическое поле напряжений, что приводит к превышению уровня предельных напряжений и провоцирует горный удар или внезапный выброс.

Таким образом можно в определённой степени регулировать силу вызываемых горных ударов, не допуская выделения больших количеств энергии, т. е. вызывать горные удары относительно небольшой силы, в ожидаемое время, которые не могут привести к серьезным нарушениям горных выработок.

К недостаткам камуфлетного и сотрясательного взрывания как способа борьбы с внезапными выбросами пород и газа, относят вывалы пород из кровли, образование значительных пустот от спровоцированных выбросов, опасность запоздалых выбросов, нарушение ритмичности горных работ, особенно нежелательное при ведении очистной выемки.

Предложен ряд локальных гидравлических способов борьбы с горными ударами и внезапными выбросами. Наибольшего внимания из них заслуживают способы: низконапорного увлажнения призабойной части массива, гидровымывания, гидрорыхления и гидроотжима.

Способ низконапорного увлажнения применяют для устранения как удароопасности, так и выбросоопасности. Способ основан на изменении механических свойств горных пород. При увлажнении снижаются характеристики прочности и модуль упругости, повышается способность к пластическим деформациям и возрастает значение коэффициента поперечных деформаций.

В результате повышается деформационная способность краевой части массива и снижается способность массива к хрупкому разрушению. Происходит перераспределение напряжений с перемещением максимума опорных нагрузок в глубь массива, а в краевой части напряжения уменьшаются.

Способ увлажнения, однако, оказывается эффективным лишь при условии обеспечения равномерности увлажнения массива, так как если отдельные участки приконтурного массива окажутся неувлажненными, то они могут воспринять дополнительные нагрузки и явиться очагами динамических проявлений.

Низконапорное увлажнение применяется преимущественно в подготовительных выработках мощных пластов и осуществляется через передовую скважину, пробуренную по оси выработки, или через барьерные скважины, пробуренные по бокам выработки из специальных ниш. При диаметре скважин 45 мм их длина обычно составляет 25— 80 м. Давление нагнетания не должно превышать 0,75 gН, при этом во избежание гидроразрыва пласта нагнетание воды в начальный период производится под минимальным давлением. Увлажнение считается эффективным, если влажность угля после нагнетания воды составляет не менее 5%.

При ведении очистных работ применяют различные схемы увлажнения, предусматривающие бурение увлажнительных скважин параллельно очистному забою, перпендикулярно к нему, либо комбинированные схемы. Схема бурения параллельно очистному забою позволяет проводить работы по увлажнению независимо от добычных работ в забое. Схема же бурения скважин перпендикулярно к забою обеспечивает большую равномерность увлажнения.

Способ гидровымывания применяют как средство предотвращения внезапных выбросов при вскрытии квершлагами крутых пластов, содержащих мягкие пачки угля с коэффициентом крепости менее I, а также при проведении подготовительных выработок в выбросоопасных пластах, в которых имеются пачки нарушенного угля с коэффициентом крепости не более 0,6.

Гидровымывание производится через скважины диаметром 80—200 мм, пробуренные из квершлага в опасный пласт через породную “пробку” толщиной свыше 4 м, оставленную между забоем квершлага и опасным пластом. Пласт вымывается гидромонитором со средней скоростью 0,5 м в 1 мин, количество извлекаемого через скважины угля обычно колеблется в пределах 15—40 т. Управление процессом гидровымывания - дистанционное.

При высокой крепости угля опасного пласта применяется восходящий порядок гидровымывания, при низкой (в сыпучих и мягких углях) — нисходящий, при этом для предотвращения обрушения нависающего массива угля верхняя часть полости периодически заполняется быстротвердеющим бетоном, нагнетаемым через контрольные скважины.

Способ гидровымывания может быть эффективно применён и при вскрытии крутых пластов полевыми штреками(рис 11.8).

Рис 11.8. Схема работ по гидровымыванию крутопадающего угольного пласта.

1 - выбросоопасный пласт, 2 - полевой штрек, 3 - нагнетательная скважина, 4 - контрольная скважина.

В этих случаях на выбросоопасный пласт бурят попарно скважины через 5 — 10 м по простиранию. Одна из скважин (на рис.11.8 - верхняя) является нагнетательной. В неё подают воду под давлением 200 — 400 кгс/см² с расходом 5 — 10 м³/ч. При достижении некоторого критического давления происходит гидроразрыв пласта и прорыв воды в контрольную скважину. Далее идет процесс разрушения угля и его вынос потоком воды и сжатого газа в виде пульпы через контрольно-отводную скважину.

В зоне размывания происходит разгрузка от напряжений, резко повышается газопроницаемость и происходит значительная дегазация. Количество угольной мелочи, удаляемой описанным способом при гидровымывании, составляет 3—20 т

Гидрорыхление представляет собой гидравлическую обработку призабойной части угольного пласта путем нагнетания в него воды под давлением (0,75— 2) gН, в результате которой нарушается целостность призабойной зоны, изменяется напряженно-деформированное состояние опасного пласта, увеличивается его газопроницаемость. При нагнетании воды в режиме гидрорыхления в пласте раскрываются существующие природные и образуются новые трещины, благодаря чему происходит ускорение процесса дегазации, перемещение максимума опорного давления в глубь массива, снижение уровня потенциальной энергии в призабойной зоне и, как следствие, устранение условий возможности возникновения выбросоопасных ситуаций.

Гидрорыхление осуществляется через скважины длиной 6— 11 м и диаметром не более 80 мм. Объем закачки составляет не менее 20 л/т обрабатываемого угля в массиве.

Способ гидроотжима применяют для борьбы с внезапными выбросами угля и газа при прочных углях в условиях высокой напряженности массива и очень низкой газопроницаемости. Он осуществляется нагнетанием воды в пласт под высоким давлением, вызывающим искусственное разрушение газоносного угольного массива и разгрузку призабойной зоны от повышенных напряжений. При этом максимум концентрации напряжений перемещается от забоя в глубь угольного массива, в зоне отжима снижается несущая способность угля, уменьшается давление газа в призабойной части массива.

При эффективном гидроотжиме резко увеличивается скорость смещения боковых пород (в 30—80 раз), при этом максимальная скорость смещения наблюдается во время самого процесса гидроотжима. После завершения процесса гидроотжима наблюдается стабилизация скорости смещения боковых пород и их большая равномерность по сравнению с необработанными зонами.

Способ охлаждения призабойной части массива применяется для снижения выбросоопасности. Охлаждение призабойной части массива вызывает, с одной стороны, деформации температурного сжатия пород, а следовательно, снижение напряжений в призабойной зоне.

С другой стороны, при понижении температуры увеличивается сорбционная ёмкость пород и происходит уменьшение давления газа.

Для реализации способа требуется наличие специальных охлаждающих средств — криогенных жидкостей (например, жидкого азота, нагнетаемого в массив через опережающие скважины) — и соответствующей аппаратуры.

Способ физико-химического воздействия предусматривает нагнетание в призабойную часть массива растворов некоторых органических высокомолекулярных соединений (например, мочевиноформальдегидных смол), способных к быстрой полимеризации и отверждению в присутствии катализаторов. После насыщения призабойной части массива раствор твердеет и свободный метан, оказываясь включенным во вновь образованную структуру, утрачивает способность лавинообразного выделения. Способ перспективен для предотвращения внезапных высыпаний.

Способ микробиологического воздействия основан на эффекте снижения метаноносности за счет разрушения метана микроорганизмами. В призабойную часть массива через скважины нагнетают биологически активную суспензию, проводя одновременно пневматическую обработку массива для обеспечения кислородом. В процессе окисления с участием бактерий происходит разрушение метана, образуется углекислый газ, частично выносимый из массива фильтрующимся воздухом. Способ находится в стадии экспериментальной проработки.

Эффективность применяемых локальных способов в части уменьшения напряженности призабойной области массива обычно контролируют по снижению сейсмоакустической активности, проводя для этого сейсмоакустические наблюдения.

Особенно существенное значение имеют локальные способы устранения ударо- и выбросоопасности пород при подходе фронта горных работ к зонам тектонических нарушений, где резко увеличивается неравномерность напряженного состояния массива, увеличивается опасность и возможная сила горных ударов или внезапных выбросов.