Определение минимально допустимого расстояния между полевой газодренажной выработкой и почвой (кровлей) взрывоопасного пласта

УДК 622.831.325.3

Р.Р. Ходжаев, А.А. Пименов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИНИМАЛЬНО ДОПУСТИМОГО РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ ПОЛЕВОЙ ГАЗОДРЕНАЖНОЙ ВЫРАБОТКОЙ И ПО ЧВОЙ (КРОВЛЕЙ) ВЗРЫВООПАСНОГО ПЛАСТА

И я роблема внезапных выбросов - наиболее опасного и

И трудно прогнозируемого вида газодинамических явлений (ГДЯ) - является одной из актуальнейших проблем горного дела. С увеличением глубины ведения горных работ возрастает газоносность и потенциальная энергия, накапливаемая в угольных пластах за счет горного давления. Поскольку данные негативные факторы возникают на фоне уменьшения газопроницаемости угольных пластов, то их совокупность приводит к прогрессирующему увеличению как частоты внезапных выбросов, так и их интенсивности.

У исследователей, занимающихся проблемами, связанными с выбросами угля и газа, сложились, по сути дела, одинаковые представления о побудительных причинах, вызывающих такое катастрофическое явление, как внезапный выброс угля и газа. Согласно этим представлениям выброс угля и газа протекает в несколько этапов, которые можно условно сгруппировать в две стадии. На первой стадии в результате изменения горного давления под влиянием техногенной деятельности происходит распространяющееся в глубь массива разрушение призабойной части угольного пласта. На второй стадии - бурное выделение газа из угля, при этом за счет перепада газового давления уголь, продолжая разрушаться, отбрасывается и выносится газовым потоком в выработку.

В призабойной части пласта происходит как пригрузка (увеличение напряжений), обычно вызываемая подвиганием выработки, так и разгрузка в результате релаксации угля и боковых пород. Первая стадия внезапного выброса возможна в том случае, если скорость нагружения значительно превосходит скорость разгрузки. Впереди забоя выработки постоянно идет процесс дегазации газоносного угольного пласта.

Вторая стадия внезапного выброса наступает, когда скорость разрушения угля в массиве превышает скорость его дегазации и когда частично разрушенный уголь обладает настолько высокой начальной скоростью газоотдачи, что энергии газа становится достаточно для дальнейшего разрушения, отброса и выноса угля. Внезапный выброс угля и газа может произойти в результате последовательной реализации обоих процессов.

Быстрое разрушение угольного массива горным давлением является необходимым, но недостаточным условием для реализации внезапного выброса. Низкая скорость газовыделения из разрушаемого массива вследствие малых значений его газоносности может привести к горному удару или внезапному выдавливанию угля.

Механизм формирования выбросов можно сформулировать интегральной совокупностью следующих обстоятельств:

• глубина разработки должна обеспечивать энергию газа и пород, достаточную для формирования внезапных выбросов угля и газа;

• выброс происходит при резком обнажении поверхности угля, содержащего газ и находящегося в напряженном состоянии, что возникает вследствие локального разрушения под воздействием выемочных машин, бурового инструмента, взрывных работ или проявлений горного давления;

• резкое обнажение поверхности вызывает изменение напряженного состояния и перепад давления, достаточный для отделения частиц от массива. Расширяющийся при этом газ увлекает оторвавшиеся частицы в выработку. Процесс отделения и выноса частиц многократно повторяется - в глубь массива распространяется фронт дробления, а по выработке движется поток расширяющегося газа и оторвавшихся частиц (газоугольная смесь). Процесс интенсифицируется за счет десорбции метана; газоугольная смесь порождает воздушную волну, опережающую существующую вентиляционную струю и способную в ряде случаев опрокинуть последнюю.

В Карагандинском угольном бассейне из 53 зафиксированных внезапных выбросов 23 выброса, в основном типа взбросов, произошли при приближении выработок к разрывным нарушениям, 19 выбросов - в зонах мелких тектонических нарушений и 11 - в зонах изменения мощности пласта и при наличии интенсивно перемятой пачки угля или неоднородных ослабленных участков пере-

мятых пород [1]. Так, особенно интенсивное газовыделение с выбросами угольной пыли происходит при бурении скважин по перемятой угольной пачке нижнего слоя пласта д6 на шахтах им. В.И. Ленина и «Казахстанская».

В настоящее время в целях увеличения темпов проведения подготовительных выработок по верхнему слою особо выбросоопасного пласта д6 на ряде шахт Карагандинского угольного бассейна все большее распространение получает способ предварительной дегазации пласта из полевых газодренажных выработок, проводимых в почве пласта под трассой будущей подготовительной пластовой выработки верхнего слоя.

Активное освоение данного способа дегазации было вызвано целым рядом причин, основной из которых является довольно значительный объем работ, связанных с бурением опережающих и газодренажных скважин. Так, при соблюдении требований паспортов противовыбросных мероприятий скорость проведения подготовительных выработок верхнего слоя пласта д6 до недавнего времени составляла не более 25-30 м/мес. В настоящее время, благодаря модернизации бурового станка «Старт», скорость проведения выработок возросла до 35-45 м/мес., что, однако, по-прежнему значительно ниже темпов, необходимых для поддержания фронта очистных работ. Все это, а также другие причины, в частности техникоэкономического характера, заставили специалистов Угольного департамента пересмотреть доминирующую концепцию ведения про-тивовыбросных мероприятий - бурение разведочных, опережающих и газодренажных скважин непосредственно из пластовых подготовительных выработок верхнего слоя особо выбросоопасного пласта д6 - в пользу проведения противовыбросных мероприятий, выполняемых из полевых выработок (патент РК № 16196 от 09.2002 г. [2, 3]). Разработанный способ подготовки особо выбросоопасного пласта д6 прошел апробацию на ряде шахт АО «АрселорМиттал Темиртау».

Так, например, предварительное проведение полевого газодренажного штрека 232 д6-з на шахте «Казахстанская» комбайном 4ПП-2М на глубине 402-434 м сечением в свету 12,8 и 14,4 м2 в 10-ти м от почвы особо выбросоопасного пласта д6 по породам крепо-стью/= 3,5-5,5 позволило обеспечить экономический эффект около 1,25 млн. руб., или 1,56 тыс. руб. на погонный метр пластовой выработки, проводимой по верхнему слою пласта д6.

Крепление полевого штрека 232 д6-з производилось смешанной крепью - металлокрепь КМП-А3 плотностью 1 рама на метр и анкерная крепь (7 анкеров длиной 2,4 м). Кровля и бока штрека затягивались металлической профилированной затяжкой ЗМП или металлической сеткой. Средняя скорость проведения составила 57 м/мес.

Из полевого газодренажного штрека было пробурено 125 кустов дегазационных скважин. Первые 70 кустов бурили через каждые 4 м проходки, последующие - через 8 м. Извлечение метана за 23 месяца на тонну запасов на контуре выработки составило 14-17 м3, что создало условия для безопасного проведения пластовой выработки по верхнему слою пласта д6 без противовыбросных мероприятий и позволило тем самым увеличить темп проходки. Средняя скорость проведения конвейерного промштрека 232д6-1-з составила 117, максимальная — 150 м/мес., что способствовало снижению общего времени подготовки на шесть месяцев.

Одним из основных вопросов обеспечения безопасности при использовании данного способа подготовки является определение минимально допустимого расстояния между полевой выработкой и почвой пласта. В результате обеспечивается эффективная дегазация и исключается проникновение газа в выработку до подключения дегазационных скважин к вакуумной станции.

1. Геомеханическое представление процесса дегазации в зависимости от влияния полевой выработки

Создание в горном массиве различного рода полостей (в том числе выработок) вызывает повышение вокруг них напряжений, уменьшающихся при удалении от контура выработки по закону:

где г0 - радиус выработки по рассматриваемому направлению.

И наоборот, повышение напряженного состояния вокруг полостей вызывает ответную реакцию горного массива, выражающуюся формированием вокруг полостей зон интенсивного трещи-нообразования за счет релаксации пород (зона 1 на рис. 1). Данные зоны изменяются (растут) во времени. Скорость роста зон трещи-нообразования зависит от физико-механических свойств горных пород и глубины их залегания. Время роста составляет от нескольких месяцев (или даже недель) до нескольких лет.

Процесс трещинообразования приводит к ослаблению несущей способности приконтурного массива и, за счет этого, к увеличению смещений боковых пород в сторону выработки. При этом сечение выработки уменьшается, иногда значительно, что требует применения специального типа крепи, работающей в податливом режиме.

При проведении выработки в породах почвы пласта породы, расположенные между зоной релаксирующих пород и пластом, за счет собственного веса и влияния бокового распора прогибаются, не теряя своей целостности. Порода прогибается за счет свойства упругости (это происходит практически мгновенно, сопоставимо со скоростью звука), а затем начинает «ползти». Угольный пласт «уходит» вслед прогибаемым породам, дополнительно пригружая своим весом нижележащие слои пород и увеличивая их прогиб. Сам же угольный пласт при этом расслаивается (трещины - 2, см. рис. 1) из-за своей низкой прочности на разрыв (особенно между слоями угля). Расслоение угольного пласта возникает вследствие уменьшения прогибов слоев пород по мере их удаления от контура полевой газодренажной выработки, что связано со снижением дополнительных напряжений от влияния полевой выработки (формула 1). Образующиеся трещины расслоения способствуют благоприятному выходу газа в дегазационные скважины. Эффект расслоения пласта, помимо прочего, позволяет уменьшить количество буримых скважин.

Разумеется, для исключения попадания метана в полевую дегазационную выработку она должна быть заложена на расстоянии, незначительно превышающем зону развития релаксационных трещин на момент подсоединения дегазационных скважин к вакууму.

Приведенный механизм дегазации угольного пласта скважинами из полевой выработки, проводимой под трассой пластовой выработки, позволяет сделать вывод, что для предотвращения

Рис. 1. Схема формирования пластовых расслоений, способствующих дегазации пласта через дегазационные скважины: 1 — зона интенсивного трещинооб-разования; 2 — трещины расслоения

несанкционированного проникновения в полевую выработку метана и исключения возможности возникновения ГДЯ ее необходимо проводить на расстоянии от почвы пласта не менее, чем расстояние, определяемое размерами зоны интенсивного дробления при-контурных пород (зона 1, см. рис. 1).

2. Порядок проведения расчетов минимально допустимого расстояния от полевой газодренажной выработки до почвы выбросоопасного пласта

Порядок расчетов минимально допустимого расстояния, безопасного по геодинамическим явлениям и обеспечивающего разгрузку пласта для получения максимального эффекта дегазации, сводится к следующему:

1. Метод расчета распространяется на выработки горизонтальные и наклонные шириной в свету не более 6 м и сечением до 20 м2 при обычных способах проходки и крепления на глубинах до 1500 м.

2. Расстояние от полевой выработки до пласта определяется комплексом геологических, гидрогеологических и технологических факторов:

• прочностью слоев горных пород, расположенных в поч-ве выработки;

• наличием по трассе выработки тектонических нарушений, непосредственно ее пересекающих либо расположенных в непосредственной близости от выработки на расстоянии до 20 м включительно;

• обводненностью пород;

• способом проведения выработки.

3. Геологический разрез отстраивается вдоль трассы полевой газодренажной выработки и охватывает толщу горных пород мощностью не менее 15 м в почву пласта; указываются прочностные и другие характеристики слоев горных пород и наносятся контуры пластовой подготовительной выработки с отметками залегания ее почвы.

4. Маркшейдерская служба шахты представляет выкопировку из плана горных работ по пласту (в масштабе 1:2000), где нанесены геологические нарушения и зоны повышенного горного давления (ПГД).

5. Технологическая служба предоставляет данные о сечении полевой газодренажной и подготовительной выработок (с указанием их высоты и ширины в проходке), способа их проведения и типа крепи.

6. Служба дегазации указывает максимально возможное (по времени) отставание фронта кустов дегазационных скважин от забоя полевой выработки.

7. Расчетное сопротивление слоев пород в массиве ^ с определяется с учетом его нарушенности по формуле:

Я = k ЯП,

П, С С П У '

где kc - коэффициент, учитывающий дополнительную нарушенность

массива пород поверхностями без сцепления либо с малой связностью (зеркала скольжения, трещины, глинистые прослои и т. п.); Рп -среднее значение сопротивления слоев пород одноосному сжатию в образце, устанавливаемое по результатам испытаний с учетом коэффициента запаса (формула 4), МПа.

Для горных выработок значения kc определяют в зависимости от тектонической нарушенности места их расположения (табл. 1).

Значение kc определяется по данным количественного анализа нарушенности массива пород на основе результатов инженерногеологических изысканий по среднему расстоянию между поверхностями ослабления пород (размеров структурных блоков) согласно табл. 2. В отдельных случаях (обводнение выработки, упрочнение пород и др.) определение Яс следует производить с учетом влияния этих факторов по данным специализированных организаций.

8. Расчетное сопротивление пород сжатию ЯС в кровлю и в

почву определяют с учетом всех вмещающих выработку слоев (пластов) мощностью более 0,5 м, залегающих на расстоянии от контура сечения выработки, равном 1,5-Ь, где Ь — ширина выработки в проходке (рис. 2). В дальнейшем методом линейной интерполяции высота учета прочности слоев корректируется

Таблица 1

Учет нарушенности горных пород

Расстояние выработки от дизъюнктивного нарушения

Дизъюнктивные нарушения на расстоянии более 4- N

0,9

Зона влияния дизъюнктивного нарушения на расстоянии от него от 4- N до 1- N

0,6

k

Непосредственно в дизъюнктивных нарушениях на расстояниях от

0,3

них менее 1 • N

Таблица 2

Учет нарушенности горных пород

Среднее расстояние между поверхностями ослабления пород, м Коэффициент kc

Более 1,5 0,9

От 1,5 до 1 0,8

От 1 до 0,5 0,6

От 0,5 до 0,1 0,4

Менее 0,1 0,2

Рис. 2. Схемы для определения расчетного сопротивления пород сжатию: а)

пологое падение; б) наклонное и крутое

таким образом, чтобы она совпала с минимально допустимым безопасным расстоянием между полевой выработкой и пластом.

Для смежных слоев, залегающих по контуру поперечного сечения выработки, с изменчивостью [р до 30 % принимают единое для всей выработки усредненное значение расчетного сопротивления пород сжатию, определяемое по формуле:

Ч ,т1 + Ч „т2 +... + Ч тп

р _ с, 1 1 с, 2 2 с, п п

с т1 + т2 +... + тп ’

где Ч .., Ч , ..., Ч - расчетное сопротивление слоев пос, 1 с, I с, п

род сжатию, МПа; т1, ..., т|, ..., тп - мощность слоев пород, м.

При изменчивости расчетного сопротивления пород сжатию в кровле, боках или почве выработки более 30 % значение Rc определяют по формуле (3) отдельно по элементам выработки (кровле, бокам и почве). Расчетное сопротивление пород в кровле и почве определяют с учетом прочности пород, залегающих в боках по высоте выработки. При определении ^ для выработок, расположенных в пластичных глинистых породах, величину kc следует принимать равной единице. В случае обводненности выработок (капеж, затопление, перепуск воды и т.п.) снижение сопротивления пород в образце за счет воздействия влаги учитывают путем

уменьшения прочности И. песчаников на 20 %, алевролитов на

40 % и аргиллитов на 50 %.

9. В средневзвешенные характеристики прочности слоев пород вводится необходимый коэффициент запаса

R

R„ _ —,

п

и дальнейшие расчеты производятся уже по этим измененным прочностным характеристикам.

Величина коэффициента запаса прочности устанавливается в зависимости от достоверности определения исходных механических характеристик. Исходные характеристики прочности образцов горных пород по нормативу определяются с погрешностью не более 7 %. Этой погрешности соответствует коэффициент запаса п _ 1,07.

Для выработок, пройденных по простиранию в условиях пологих и наклонных пластов и вкрест простирания при любом залегании, усредненную прочность пород по формуле (3) для кровли определяют с охватом пород по вертикальной линии 1 — 2 — 3, для почвы - по линии 2 — 3 — 4 (см. рис. 2, а).

Для выработок, пройденных по простиранию в условиях крутонаклонного и крутого падения пластов, усредненное значение

прочности определяют также по формуле (3) с охватом пород для кровли по линиям т^ — т^ и т^ — т^ , для почвы тп — ть и

т — тк2 (см. рис. 2, б).

Расчетное сопротивление пород сжатию Rcр для примыкающих к очистному пространству выработок принимается как среднеарифметическое из вычисленных значений Rc для почвы и кровли.

3. Определение минимально допустимого расстояния от полевой газодренажной выработки до пласта

1. На первом этапе определяют смещения и пород кровли или почвы (в зависимости от места заложения) и боков газодренажной полевой выработки

и _ к к к к ит

а в S t т ’ 4 ’

где ит - смещение пород, принятое за типовое и определяемое по графикам, приведенным на рис. 3, в зависимости от расчетного сопротивления пород сжатию Яс и глубины расположения выработки Н.

В качестве типовых приняты следующие условия: расположение выработки вне зоны влияния смежных и сопрягающихся выработок, податливая крепь, падение слоев пород до 200, ширина и высота выработки в проходке, соответственно - 6 и 3,5 м;

Рис. 3. Графики для определения типового смещения пород ка - коэффициент влияния угла залегания пород и направления проходки выработки относительно простирания пород, определяемый по табл. 3; ке - коэффициент направления смещения пород: при определении смещений со стороны кровли или почвы (в вертикальном направлении) он равен 1; при определении боковых смещений пород ке принимают по табл. 3; к5 - коэффициент влияния размеров выработки, определяемый для кровли или почвы по формуле (6), а для боков - по формуле (7).

к8 = 0,2•

к5 = 0,2•

где Ь, к - соответственно ширина и высота выработки в проходке, м; к - коэффициент влияния времени на смещения пород.

Для выработок, срок службы которых менее 15 лет, коэффициент к, зависящий от соотношения Н/Кпс, определяется по графикам (рис. 4). Для выработок, срок службы которых более 15 лет, к = 1.

Коэффициент к отражает динамику процесса смещений массива горных пород, прилегающих к контуру выработки, и, как следствие, динамику развития трещин, развивающихся в результате их релаксации от влияния выработки и способствующих, в свою очередь, дегазации угольного пласта. Используя временную зако-

номерность зоны развития трещин (отраженную графически на рис. 4), необходимо мероприятия по дегазации согласовывать во времени таким образом, чтобы зона развития трещин до начала процесса вакуумирования куста скважин, расположенных на фронте дегазации, не доходила бы до пласта на 0,5 м.

Таблица 3

Зависимость коэффициентов ка и к9 от угла залегания пород и направления проведения выработки относительно простирания пород

О 2 4 6 8 10 1,Мес.

Рис. 4. Графики для определения коэффициента & ^

2. Зона эффективного разгазирования на контуре газодренажной выработки определяется по следующим формулам:

а) размер зоны в почву газодренажной выработки, м:

к = 8,5 • к 5 и3 Ь2 + 0,5.

пч ’ П \ пч ’ •

где ипч - величина смещения пород почвы, м; Ь - ширина выработки в проходке, м; к - коэффициент уменьшения зоны развития трещин в почву по отношению к кровле, определяемый по табл. 4;

б) размер зоны в кровлю газодренажной выработки, м:

к = 8,5 • 5/и3 Ь2 + 0,5,

кр ’ ЛI кр ’ ’

где и - величина смещения пород кровли выработки, м;

в) размер зоны в бок газодренажной выработки, м:

кб = 8,5 •1 5/и3 Ь2 + 0,5, б ^ б Таблица 4

Зависимость коэффициента кП от ширины газодренажной

выработки в проходке и глубины ее залегания от земной поверхности

Глубина залегания выра-

Зависимость коэффициента кп от ширины выработки в проходке Ь, м

3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0

300 0,986 0,984 0,981 0,979 0,977 0,974 0,972

400 0,969 0,964 0,960 0,955 0,950 0,946 0,941

500 0,968 0,963 0,957 0,952 0,946 0,940 0,934

600 0,907 0,894 0,882 0,870 0,858 0,847 0,836

800 0,964 0,958 0,952 0,947 0,942 0,936 0,931

где иб - величина смещения пород бока, м; X - средневзвешенный

коэффициент бокового распора породной толщи между полевой газодренажной выработкой и угольным пластом. При условии дин-

никова бокового распора х = —___ здесь V - средневзвешенный ко-

1 -V

эффициент Пуассона.

По данным формулам можно построить полную зону эффективного разгазирования (зону развития релаксационных трещин) в зависимости от влияния газодренажной полевой выработки во времени.

В Республиканском государственном казенном предприятии «Научно-инженерный центр горноспасателей Республики Казахстан» были разработаны прикладные программы (например, «Полевая дегазация»), позволяющие рассчитывать безопасные наименьшие расстояния заложения полевой газодренажной выработки относительно особо выбросоопасного пласта д6 в широком спектре горно-геологических условий.

------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бирюков Ю.М. и др. Каталог внезапных выбросов угля и газа (Карагандинский угольный бассейн) /Бирюков Ю.М., Карев Н.А., Ходжаев Р.Р., Фоминых Е.И. - Калининград: Тр. КГТУ, 2006. - 158 с.

2. Предварительный патент РК № 16196 на изобретение. Способ предот-

вращения внезапных выбросов угля и газа при проходке горных выработок на угольных пластах, опасных по внезапным выбросам угля и газа. Патентообладатели: Баймухаметов С.К., Самусев В.Ф., Полчин А.И., Геречко С.С.

//Промышленная безопасность. - 2005. - Бюлл. № 9.

3. Баймухаметов С.К., Полчин А.И. Новые методы увеличения темпов проходки по особо выбросоопасному пласту д6 на шахтах Карагандинского бассейна //Индустрия Казахстана. - 2004. - С. 30-32.

4. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля и газа. - Караганда, 1995. - 159 с. ЕШ

— Коротко об авторах -------------------------------------------

Ходжаев Рустам Ривкатович - директор Республиканского государственного казенного предприятия «Научно-инженерный центр горноспасателей Республики Казахстан» Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Казахстан (РГКП НИЦГ РК), кандидат технических наук,

Пименов Анатолий Александрович - заведующий лабораторией по проблемам промышленной безопасности Республиканского государственного казенного предприятия «Научно-инженерный центр горноспасателей Республики Казахстан» Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Казахстан (РГКП НИЦГ Рк).