Атмосфера подземных горных выработок, страница 7

Для предсказания выбросоопасности нужно прежде всего знать пластовое давление Р_пл, напряжение горных пород Р, проницаемость K и пористость т (рис. 1.3). В некоторых случаях и  (рис. 1.3) могут оказаться выше естественного Р_т в результате подхода вместе с забоем области низкой проницае­мости массива.

Концентрация напряжений Р в призабойной зоне в сред­нем может быть определена из выражения Р ≈ 3Р_е. Одним из решающих факторов в концентрации напряжений и создании выбросоопасной обстановки является скорость подвигания за­боя. Увеличение скорости подвигания забоя приводит к суммар­ному росту выбросных сил в забое.

Естественный удельный уровень сил, действующих в сто­рону выработки:

, (1.7)

где  – составляющая горного давления, направленная в сторону выработки;

K_р – коэффициент бокового распора;

P_гр – сила гравитации;

α – угол наклона выработки.

Если  окажется больше  – допустимых сил, то происходит отжим, выброс.

, (1.8)

где δ_р – прочность массива;

F_тр – сила трения пласта (слоя).

Обычно разделяют прочность массива δ_р и силы трения пласта F_тр, которые уравновешивают усилия от внешних Р и внутренних Р_пл сил с учетом сил гравитации.

Условие разрушения:

 (1.9)

Предотвращение газосиловых явлений кроме снижения ско­рости подвигания забоя может осуществляться повышением ус­тойчивости массива (до уровня , рис. 1.4) нагнетанием раз­личных смол, снижением уровня природных сил путем сниже­ния напряжений Р_е и пластового давления Р_пл, управлением свойствами массива (пластичностью, проницаемостью, порис­тостью) для снижения концентрации напряжений и пластово­го давления (кривые 3 и 5 рис. 1.4).

Типичная схема выброса угля и газа в подготовительную выработку представлена на рис. 1.5.

Особенности же выброса пород, газа заключаются в том, что выбросоопасные зоны песчаников имеют низкую прочность и высокую газоносность. Газоемкость выбросоопасных песчани­ков в 2 – 5 раз выше, чем невыбросоопасных. При взрыве таких песчаников на отбой возникает процесс хрупкого послойного самоподдерживающегося разрушения с перемещением такой массы в выработку.

Рис. 1.3. Схема распределения напряжения Р, пластового давления газа  проницаемости K и пористости т в призабойной зоне пласта:

Р_з, K_з, т; Р_е, K_е, m_е – показатели состояния и свойств пласта на кромке обнажения и в естественном состоянии соответственно;

А, Б и В – участки хрупкопластического деформирования, упругопластического деформирования и упругого напряжения соответственно;

1 и 2 – направления волны напряжений и пластических деформаций соответственно

Выбросоопасные соляные породы характеризуются высо­кой пористостью, малой прочностью, высоким пластовым дав­лением (Р_пл = 6 – 8 МПа). Соляные породы разрушаются до пы­леобразного состояния. Стенки полости выброса разбиты ха­рактерной трещиноватостью. Глубина залегания выбросоопас­ных калийных пластов составляет 300 – 900 м.

Прогноз выбросоопасности пластов и пород производится на стадии геологической разведки, перед вскрытием угольных пластов, отдельных зон, на разрабатываемом горизонте. На ста­дии геологоразведки прогноз осуществляют по косвенным дан­ным состояния массива:

, (1.10)

где  – относительная газоносность;

Х, Х_ост, Х_ср – природная остаточная и средняя газоносность пласта соответственно;

R – разрушаемость угля, мм^–1:

 (1.11)

(здесь Р₀ – масса исходной пробы, г; Р_i – масса фракции, г; d_i – средний диаметр частицы фракции, мм);

m – мощность угольного пласта, м;

С – число угольных пачек;

Н – глубина залегания угольного пласта, м.

При В ≥ 15 – угольные пласты относятся к выбросоопасным, В < 15 угольные пласты относятся к невыбросоопасным.

Прогноз выбросоопасности перед вскрытием угольных пла­стов осуществляется для различных бассейнов по-разному. Так, в Донбассе прогноз выбросоопасности осуществляется с глуби­ны 150 м в зависимости от выхода летучих и природной газо­носности пластов; в Кузбассе – 150 м; на Воркутинском мес­торождении – 400 м; в Карагандинском бассейне – 200 – 350 м; на Норильском месторождении – 300 м и т.д.

При приближении забоя вскрывающей выработки к выбросоопасному пласту на расстояние не менее 3 м по нормали к пласту бурят скважины, в которых определяют давление газа Р_г, начальную скорость газовыделения q₀, мощность пласта mи число угольных пачек С и определяют разрушаемость R, вы­ход летучих веществ V^daf, зольность А^с, начальную скорость га­зоотдачи угля ΔР и содержание газов.

В Кузбассе прогноз выбросоопасности определяется по формуле

, (1-12)

где Р_пл – наибольшее замеренное давление газа, МПа;

f_min – наименьшее значение коэффициента крепости угля.

Рис. 1.4. Графическое изображение суммарного нарастания сил напряжений в скелете пласта и пластового давления в призабойной зоне ΣFв зависимости от увеличения скорости подвигания забоя v и площади поперечного сечения (пролета) выработки S:

1 – результирующая сила; 2 – частные акты суммарного нарастания сил при частных подвиганиях забоя; 3 – нарастание сил после управляющего воздействия на свойства пород; 4 – то же на состоя­ние пород; 5 – то же на свойства и состояние пород; ΣF_y – уровень сил после управляющего воздействия на состояние пород (пласта); ΣF_e – естественный уровень сил; ΣF_д – предель­ный уровень нарастания сил, при достижении которого происходит разрушение пород (удар, выброс); ΣF’_д – то же после управляюще­го воздействия на свойства и состояние толщи пород; S_кp, v_кр – критические сечение и скорость подвигания забоя соответственно.

При П_е < 0 пласт в месте вскрытия считается выбросоопасным. Прогноз выбросоопасности в забоях позволяет установить выбросоопасные и неопасные зоны при проведении подготовительных выработок. Прогноз осуществляется путем регистрации естественных сейсмоакустических сигналов, возникающих в мас­сиве и регистрируемых звукоулавливающей аппаратурой типа ЗУА-4 или ЗУА-5.

Рис. 1.5. Схема внезапного выброса:

1 – масса выбрасываемого угля; 2 – подготовительная выработка; 3 – угольный пласт.