Природа внезапных высыпаний угля и основные принципы их предупреждения

БОРИСЕНКО А. А. (Тема 01161, 1984) - Науч. сообщ. /Ин-т горн. дела им. , 1985, вып. 242. Борьба с внезапными выбросами, с.10-16. ИССН 0540-939Х.

ПРИРОДА ВНЕЗАПНЫХ ВЫСЫПАНИЙ УГЛЯ И ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ИХ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ

Абсолютное большинство газодинамических явлений на крутых пластах Донбасса квалифицируется в настоящее время как внезапные высыпания угля. В действующей ныне "Инструкции по безопасному ведению работ на пластах, склонных к внезапным выбросам угля, породы и газа" (М., Недра, 1976) внезапные высыпания (обрушения) выделены в самостоятельный вид газодинамических явлений наряду с внезапными выбросами угля и газа. При этом отличительными признаками внезапных высыпаний названы ориентирование полости »по линии падения пласта, расположение откоса разрушенного угля под углом, равным углу естественного откоса, и повышенное газовы-деление в выработку. Разрушение пласта при внезапных высыпаниях происходит согласно "Инструкции..." под действием собственного веса, а повышенное газовыделение носит всего лишь попутный ха­рактер. Предполагается, таким образом, что ни силы горного давле­ния, ни энергия газа в природе внезапных высыпаний участия не принимают.

Однако мнение о возможности разрушения пластов за счет сил собственного веса не имеет достаточных обоснований. При мини­мальных значениях измеренной нами прочности на растяжение сыпу-

чего выбросоопасного угля, равной 0,011 МПа, такой уголь даже при отсутствии трения и сцепления будет удерживаться слоем тол­щиной более одного метра. Показательны результаты следующих про­стейших опытов. В стальную трубу диаметром 6 см засыпали разру­шенный уголь с радиусом частиц не более 0,15 см. Этот уголь уплотняли под статической нагрузкой. Оказалось, что уплотненная под давлением 0,008 МПа (ничтожно малым по сравнению с давлением в пласте) угольная мелочь из трубы не высыпается. Тот же уголь, увлажненный дополнительно на 1-25?, не высыпается из трубы даже при отсутствии предварительного уплотнения.

Сейсмоакустические исследования убедительно показывают [ij, что явления, квалифицированные как внезапные высыпания, происхо­дят в результате увеличения механической нагрузки на призабойную зону пласта и что в этом отношении высыпания не отличаются от собственно внезапных выбросов угля и газа. Согласно уже упо­минавшейся "Инструкции..." внезапные высыпания происходят на фоне усиления горного давления. На современных глубинах разра­ботки запас потенциальной энергии в угольных пластах достигает 5,0 Дж/см3, это на несколько порядков превышает запас потенци­альной энергии нависающего угольного массива, вызванной дейст­вием сил тяжести. Полости, образующиеся на крутых пластах в ре­зультате газодинамических явлений, располагаются в зонах концен­трации напряжений, откуда чисто механическое высыпание угля наиболее затруднительно, но которые характеризуются наибольшими запасами потенциальной энергии.

Показательна в этом отношении ситуация на шахте "Хальмер-Ю" (ПО "Воркутауголь"). Свита пластов здесь заметает под углом 60° и более, угли чрезвычайно малопрочны (коэффициент крепости по толчению менее 0,1), газоносность углей не превышает 2-Зм3/т. Многочисленные высыпания происходят как в очистных забоях при потолкоуступной выемке, так и в подготовительных забоях, причем полости высыпаний независимо от местоположения их устья распро­страняются в зоны концентрации напряжений. Примыкающие к выра­боткам участки пласта, несмотря на их деформированность и разгруженность от напряжений, не разрушаются и, естественно, не высыпаются. Таким образом, разрушение угольных пластов как при собственно внезапных выбросах, так и при явлениях типа высы­паний происходит под действием сил горного давления.

Малопрочные, склонные к высыпаниям угли имеют весьма низкий значения модуля упругости, поэтому соответственно обладают боль-

шими запасами потенциальной упругой энергии. Значения этой энер­гии на несколько порядков превышают значения энергии положения угля, следовательно, гравитационными силами в механизме разруше­ния угля можно пренебречь или в лучшем случае рассматривать эти силы в качестве дополнительных.

Однако действия горного давления недостаточно для разрушения угля с образованием полости. Разрушенный в пласте уголь сохраня­ет некоторое сцепление и не высыпается из полости под действием тяжести. В пласте разрушенный, но остающийся на месте уголь создает боковой распор, препятствующий распространению разруше­ния в глубь пласта.

Само по себе разрушение пласта не создает опасности в забое, эта опасность появляется с возникновением движения угольной массы. Поэтому условие внезапных высыпаний целесообразно опреде­лять как начальное условие перемещения разрушенного угля. Выде­лим в призабойной зоне пласта на удалении от кромки Ј элемент пласта; этот элемент находится «в равновесном состоянии при условии

2J:6tSdЈ + Zf6zmdE+ffg&cosotcLt+fifqm2$cosoc dS -

-f2m$sLn. ototE=dd5m8, (I)

где f - коэффициент трения угля об уголь; <о1, <Ј2, &3 - главные нормальные напряжения в разрушенном угле, МПа; 8 - ширина поло­сти высыпания, и; пг - мощность пласта, м; f - плотность уг­ля, кг/м3; О. - ускорение свободного падения, м/с, ^ - коэффици­ент бокового распора; ос- угол падения пласта или угол между осью полости высыпания и горизонтальной плоскостью, град.

Два первых слагаемых в уравнении (I) - силы трения, порож­даемые действием напряжении б", и <о2, два вторых - силы трения, возникающие под действием массы элемента, пятое слагаемое - гра­витационные силы, способствующие перемещению угля. Соотношения между напряжениями, действующими в разрушенном угле, выражаются формулами:

6г = di ; <Ј< =$(Z3 + N, (2)

где d3 - напряжение, действующее в направлении оси. полости высы­пания; N - напряжения на кромке разрушенного пласта.

Рещед уравнение (I), получаем

Очевидно, что перемещение разрушенного угля начинается при условии, когда напряжения (о3 обращаются в нуль. Тогда условие возникновения внезапного высыпания под действием гравитационных сил можно определить по формуле

/V Ј +f$(fCOSoc + -^jr^- cosot - sinoU40. (4)

Величина /V в приведенных уравнениях характеризует несущую способность угля, разрушенного на кромке пласта, но'сохранившего некоторую связность. Известно [2], что при разрушении материала в условиях одноосного сжатия происходит его ослабление вслед­ствие внутренних сдвигов и упрочнение в результате уплотнения. Несущая способность разрушенного материала по мере дальнейшего нагружения снижается, но всегда остается больше нуля. Аналогич­ное явление наблюдалось нами при разрушении углей. После дости­жения предела прочности несущая способность угольных образцов резко падала, затем по мере деформирования образцов приближалась к некоторой постоянной величине. По результатам серии опытов для приближенных расчетов значение N можно принимать для прочных углей равным I0/S, а для нарушенных углей - 50$ от предела проч­ности на одноосное сжатие.

Количественный анализ формулы (4) показывает, что возмож­ность возникновения внезапных высыпаний в определяющей степени зависит от значения/V (т. е. от прочности угля). Практически вне-запяые высыпания возможны лить при/V^ 0,01 МПа или б^$0,02 МПа. СЕакгическая прочность сильнонарушенных углей значительно выше [3], поэтому внезапные высыпания под действием одних лишь грави­тационных сил невозможны или крайне маловероятны. Опыты по раз­рушению весьма малоцрочных образцов (<ЈСЛ4= 0,59 МПа) горизон­тально действующими силами показывают, что в результате разруше­ния осыпается лишь часть образца на глубину, примерно равную половине его высоты. Применительно к пласту это означает, что глубина полости высыпания будет измеряться десятками сантимет-

ров, но не метрами, как это имеет место на самом деле. На обра­зование такой полости можно вполне распространить теорию сводо-образования .

С другой сторонн, любое разрушение газоносного угольного пласта, в том числе и при внезапных высыпаниях, сопровождается интенсификацией газовыделения. Через разрушенный в пласте уголь фильтруется метан, в результате фильтрации создается газовое давление, направленное в сторону обнаженной поверхности пласта и описываемое законом Дарси. Если ввести в уравнение (I) значе­ние усилия, вызванного давлением газа, и решить это дифференци­альное уравнение, то получим новое начальное условие перемещения разрушенного угля, на этот раз с учетом газового фактора:

N~jr + X'9[fcos<x+g~~ cosa - slna)-------------------- «V^0» (5)

где Q - количество метана, фильтрующегося через кромку плас­та, м3/с; К - газопроницаемость разрушенного угля на кромке пласта, иг; JJ.- вязкость метана, МПа«с.

Газопроницаемость разрушенного угля изучалась при разрушении под прессом образцов, помещенных в специальную камеру. Оказа­лось, что газопроницаемость разрушенного в условиях одноосного сжатия угля мало'зависит от начальной газопроницаемости и проч­ности и составляет от 1-10 до 2-10 иг. Расчеты при такой газопроницаемости показывают, что для сдвижения разрушенного угля достаточно весьма низкого уровня газовыделения - не бо­лее 0,1 м3/(с. м^). По сути дела, такое газовыделение имеет место при любом разрушении угольного пласта. Можно было бы ожидать, что степень дробления угля (приведенный радиус частиц хп) при выбросах и высыпаниях будет различна. Действительно, при внезап­ном выбросе По пласту Известнячка (ранее неопасному) значение -tn составило 0,0109 см, а при последующем высыпании угля из той же полости - 0,022 см, но при внезапном выбросе при вскрытии пласта Андреевский и при явлении на этом же шахтопласте, квалифициро­ванном как внезапное высыпание, значения хп были близки (соот­ветственно 0,0210 и 0,0195 см). Характер распределения частиц по крупности в разрушенном угле при том и другом явлении был одинаков.

Таким образом, все газодинамические явления происходят в ре­зультате разрушения пласта под действием энергии упругих дефор­маций и энергии газа. Последняя обеспечивает сдвижение угля

в пределах полости и освобождение фронта разрушения. Роль грави­тационных сил самого угля и, следовательно, различив между вне­запными выбросами и внезапными высыпаниями могут проявляться в фазе перемещения угля по выработке. Действительно, при недо­статочном уровне газовыделения из разрушенного угля на пологих пластах газодинамические явления часто имеют форму внезапного отжима (выдавливания). На крутых же пластах гравитационные силы в большинстве случаев обеспечивают перемещение угля при любом уровне газовыделения. На основании сказанного внезапными высыпа­ниями можно считать такие газодинамические явления, при которых перемещение угля по выработке происходит преимущественно под действием гравитационных сил. Но на крутых пластах гравитацион­ные силы в большинстве случаев обеспечивают перемещение угля при любых газодинамических явлениях независимо от уровня газовыделе­ния. Поэтому перемещение угля гравитационными силами не может служить универсальным классификационным признаком. 6 ряде случа­ев для целей классификации могут быть использованы признаки работы газа при перемещении угля - пониженная величина откоса разрушенного угля или дальность отброса при наличии возможности свободного перемещения в очистных забоях [4].

Все выбросоопасные пласты являются одновременно опасными и по внезапным высыпаниям (т. е. по газодинамическим явлениям, при которых перемещение угля осуществляется под действием грави­тационных сил). Поскольку оба явления близки го своей природе, меры борьбы с ними практически одинаковы и должны быть направле­ны на дегазацию пластов, их упрочнение, разгрузку от напряжений ■и устранение динамических нагрузок на пласт. Но собственно внезапные высыпания, составляющие, по-видимому, значительную часть газодинамических явлений на крутых пластах, могут быть устранены и простейшими способами, полезными и для предотвраще­ния внезапных выбросов.

Наиболее эффективной мерой является создание бокового распо­ра на поверхностях нависающих массивов (если невозможно вообще устранить эти нависания). Необходимое значение бокового распора йр можно найти из формулы (5), приравняв ее левую часть d :

Практически создать достаточный боковой распор на поверхно­стях нависаицих массивов можно лишь при низких значениях Q, т. е. при внезапных высыпаниях.

В прямолинейных забоях ось полости высыпания не совпадает с линией падения пласта. Отсюда, согласно формулам (4) и (5), следует, что в прямолинейных забоях условия возникновения высы­паний менее благоприятны, чем, например, в потолкоуступных. Из этих же формул следует, что создание опережения верхней частью прямолинейных лав способствует снижению опасности газодинамиче­ских явлений. Для предотвращения высыпаний не могут применяться способы, связанные с ослаблением и разрушением пластов.

Таким образом, внезапные высыпания и внезапные выбросы на крутых пластах имеют общую природу. Достаточно условно к внезап­ным высыпаниям можно отнести явления, при которых перемещение угля осуществляется под действием гравитационных сил; в отличие от внезапных выбросов такие явления должны происходить при бо­лее низком уровне метановыделения (например, из-за низкой мета-ноносности пласта или малой степени дробления угля). Для предот­вращения внезапных высыпаний рекомендуются в основном те же способы, что и для предотвращения внезапных выбросов. Специфиче­скими мерами борьбы с внезапными высыпаниями являются создание бокового распора на поверхностях нависающих массивов угля и вы­бор геометрических параметров забоев.

ЛИТЕРАТУРА

1. Константинова исследования"
предвыбросных разрушений угольных пластов. - Ы. : Наука, 1977. - 96 с.

2. Гольдштейн свойства грунтов. - М.:
Ивд-во литературы по строительству, 1971. - 263 с.

3. Ф е й т свойства и устойчивость выбросоопасиых
угольных пластов. - М.: Наука, 1966. - 78 с.

П в т р о о я в метана в угольных шахтах. - М.:
Наука, 1975. - 188 с.