Введение к работе
Актуальності, темы. Перспективы подземном разработки угольных месторождений и технико-экономические показатели гаагт я значительной мере определяются эффек тмишчтью ч безопасностью отработки участков месторождений на глубоких горизонтах, доля добычи из которых постоянно растет. При переходе на более глубокие горизонты разработки ухудшаются горно-геологические условия работы шахт, возрастает риск газодинамических явлений, вызывающих тяжелый травматизм горнорабочих, снижается производительность труда, повышаются издержки производства. Уменьшается также надежность и эффективность применяемых способов прогноза и предотвращения гзпп-т^нпмнческик liEjiciit!:",, чтос.ччлно с изменением гео-іЧС^.'нпі'ієіжой сихлїШ'Токп « r«j;;i''--f.'i масенпо л iie4i"VT;-iv ;,.>,..,,.-г (,!0 ."ЯКОНаНО'рНЧГГГеЙ 1! !і!'ИпОЛМ іШ.ІЄМЄПИ'і ftvfii.O'.-'-oniK- Ч>КЛ\І і' рОС 10М глубіїьь*. Качосгпснкі"» '>^лl><^-J-^l>o\^:J^<-:':^^ условия разработки гл\?"ч'нсяг ; >Рі«ЛО:П'.''; їрі'Гуі,/ їм !'<.м : p,t \)v,;;c, ;'|„'::,і:;іі.4;!!іл> інї. .".і.ііі-;!<-'і:!і!' u >;.;ііїчт;іі;., x.i|v.<..; (("-p'l.iyiVM'ix !:uo/V >")>" ;i іії.М':;.;>;і)'!к'Сі((Х' мсгіг-н'кг \ГОЛ.'.Ш \' it.'t.-'.eroi: і !-!ч.б.|(іЄ м;(Є>"ИіКі я пп:.ч;>г'>-->і'шьг>: :i'.s!i:i.';, і;буе."."!алн:!.і/іл н-.^блилп^.ч >и ho;;ojo паучноп» подхода к c6e-eii03djih«> н разииіиіо методов пропюза и снижения выбросо- ОПаСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ШТЯСТОІЧ. бячипгллгтуАр.л/'п «»-} fyvif*? "Т"Й,"!'^Г^ !, : _ .' I'M!- !'Г, че --. -і г' м г>;. к-;" .і і > iti'-i ;:J "і :'' і ''мі м і :]ї.і;ііі! ''.'"їГч '/C'^ii-ll'JCiii уі'у,'іі.ііі«Я ІіЛиСі'ОЬ С (ЛЛ.ГОМ глубины залегания и установлення закономерностей формирования выбросоопасных ситуаций при совместном действии природных и техногенных фактороп прппепрпгтп^т'о » ??бсттк Гч)[Н!1.!_\ ІЩрлбої 0!С. Диссертация ееч'.бшдег результаті і научно-неелсдоиатель-ггтеих рлбет <№гес. регпстрлц!ш"7.'03(?м7!, 76049-191/31084166, Я60гЖ597, 91004-1039), йпподненных при непосредственном упасіїш і: под рукйводсіьом автора в Институте горного дела нм. А. А.Скочинского в 1971 -1993 гг. в соответствии с целевыми комп-лексными программами ГКНТ и Академии наук СССР (проблема 0.05.05.), отраслевыми планами НИР б. Минуглепрома СССР и Российской угольной компании "Росуголь". Цель диссертационной работы состоит в разработке геомеханических основ и способов прогноза и снижения выбросоопасности угольных пластов для условий освоения месторождений на больших глубинах. Основная идея работы заключается в установлении геоме-ханических закономерностей возникновения выбросоопасности в массиве и прнзабойных зонах угольных пластов под действием природных и техногенных факторов и создании на их основе способов прогноза и снижения выбросоопасности применительно к условиям возрастающих глубин разработки. Задачи исследований: исследовать прочность и процесс разрушения газонасыщенных углей в условиях объемного сжатия, моделирующих приза-бойную зону пластов, определить условия перехода обычных видов разрушения в лавинное самоподдерживающееся при внезапных выбросах; провести натурные исследования напряженно-деформированного и газодинамического состояния прнзабойных зон вы-бросоопасных пластов в широком диапазоне горно-геологических условий и глубин разработки; исследовать изменения гсомсхаиичсских условий возникновения выбросоопасности в горном массиве с ростом глубины разработки по гсолого-гсофнзичсским данным; разработать критерии и метод оценки влияния способов управления горным давлением на выбросоопасность прнзабойной зоны угольных пластов в лавах глубоких шахт, разработать гео-механическис основы и параметры применения закладки в качестве способа управления горным давлением, снижающим выбросоопасность угольных пластов; создать расчстно-экспсриментальныс инженерные методы определения степени (категории) выбросоопасности угольных пластов в забое горных выработок с дифференциацией по факторам газа и горного давления, учетом глубины и технологии ведения горных работ, выбором параметров предупреждения внезапных выбросов в зависимости от геомеханических условий, свойств угольных пластов и типов газодинамических селений. Методы исследований. В работе применен комплексный метод исследований, включающий экспериментальное изучение физико-механических свойств углей выбросоопаашх пластов, натурные инструментальные исследования напряженного и газодинамического состояния пыбресоопасных и неопасных пластов, физическое моделирование процессов разрушения угла при совместном действии газа и горного давления на стадиях подготовки и возникновении внезапных ;;ыбросов, анализ и гсоме-ханнческую интерпретацию геолого-геофизических данных, характеризующих свойства массива на различных глубинах, апро-б.?.'Д"'0 и внедрение разработанных рекомендаций иа шахтах. Ис-псльі^язлись методи геамехзннкн, геофизики, теории разрушения, размерностей, вероятности и математической статистики. Научные положения, выносимые на защиту: 1. Разработка и развитие способов прогноза и снижения 2, Прочность и характер разрушения газонасышенного угли давления газа) напряжений С - 03'AV ^ 0,30 разрушения не происходит [ 1, 3, 4, 31, 39 J. Особенностью напряженного и газодинамического состояния угольных пластов в выбросоопасных зонах является уменьшение глубины области разгрузки и дегазации, возрастание коэффициента концентрации напряжений, градиента концентрации напряжений и давления газа в краевой части пластов, усиление скачкообразного характера перераспределения напряжений, возникновение нескольких максимумов концентрации напряжений. Характер изменения напряженного состояния пласта предопределяет аналогичный характер изменения его газодинамического состояния (изменения давления газа, скорости газовыдслсния, глубины зоны дегазации) {3-5, 8, 10, 26, 30, 40, 41). Условия возникновения лавинного самоподдерживающегося разрушения угля при внезапных выбросах количественно определяются критерием, представляемым в виде суммы двух безразмерных соотношений между давлением газа, минимальными и максимальными напряжениями сжатия, пределами прочности угля на разрыв и сжатие {3, 4, 23, 27, 31 J. Зональность в'ыбросоопасности, связанная с неоднородностью свойств, строения и особенностями природного поля напряжений угольных пластов наблюдается по глубине их залегания. Изменение потенциальной выбросоопасности по глубине в угольных пластах может иметь волнообразный характер, что связано с образованием зон разгрузки и разупрочнения в природном поле напряжений в горном массиве вблизи земной поверхности. При увеличении глубины разработки изменяются соотношения энергии газа л горного давления в угольных пластах, что влияет на изменение характера выбросоопасности и типа газодинамических явлений (42, 44, 45, 49]. 6. Внезапные выбросы угля и газа происходят во время выемки (сменное подвиганис забоя) и глубину зоны разгрузки в 7. Применение полной закладки выработанного пространства с определенными технологическими параметрами (плотность, шаг, отставание от забоя) в качестве способа управления горным давлением снижает выбросоопасность (частоту выбросов) п 10-25 и более рая. Снижение иыбпосоопленпсти происходит яа счет увеличения протяженности зоны рлігрузг-л* и деглзан^н .п пріізлбопноі! части плгетг, п исклгаченн'.г тчтрсь-'альиых paarpv-:іОичи»ригрузоккгі.;пан [4. !2,13, 17,18,34-37, '10.43,49,52].' 3. Vc.nc-піія безо.;'і,чг!!<.ч~тя горньо; плбпт. лоегигтіс-ше пзме-:К:ни''М !*апряхенмоі\'« >( !»*.Ч'\'-инамн'{с-ско,,і> ессточния угоп(.:«пх пластом локальними и рел'ональь'ыми способами, а также применением соотг.етстг.уюшсн технологии ведегінч горных рабпт; могут бчїь определены рз:«еткы»;и мстоданн го разп.-бот^-шчм геомехаїтчееким критериям [4, 27, 34, 43-50]. Достоверность научных положений подтверждается обос-.:;$-'.u=v0C7!'i-i тфгГі-5 г>;.'\ ігі>'.'згтй"ЛЄ!Н*!'' о : со?!С>';!!»н«!г,*с'-:,;"1 з.ч>ч~~ HCM'.pi'OCT''.*" фар'.'.!'.р-.".'!.»,,Ч'1.! t;f,>5pec'>:'n.''-f": "!'.!, да.'пыи," f-;iryp-пых и лабораторных экспериментов, выполненных для широкого диапазона горно-геологических условий и глубин разработки вы-бросоопаенпх пластов, удовлетворительной сходимостью расчетных !? фактических pe:}v"!.vaTOB, полученных при онмтнсчіро-мншлсиных испита шит х и внедрении методов оценки пыбрс-со-опасности и предложенных параметров применения закладки в качеств способа унранлення горным давлением, снижающего выбросоопасность. Научная новизна работы. Разработана комплексная методика геомеханического обоснования способов прогноза и снижения выбросоопасности угольных пластов при освоении месторождений на больших глубинах на основе синтеза натурных экспериментальных данных о напряженном и газодинамическом состоянии призабойных зон выбросоопасных пластов, результатов физического моделирования процессов разрушения газонасыщенного угля на стадии подготовки и возникновения внезапных выбросов, оценки изменения геомеханических условий проявления выбросоопасности с ростом глубины разработки по геолого-геофизическим данным [1-6,8,25,421. Установлены количественные зависимости прочности и характера разрушения газонасыщенного угля в объемном нерав-нокомпонентном напряженном состоянии, моделирующем приза-бойную зону пласта, от величины действующих максимального и минимального главных напряжений, их соотношения н давления газа в пласте. Дана количественная оценка влияния давления газа и минимального главного напряжения на прочность угля в приза-бойной зоне [1, 3, 4, 29, 39]. Определены условия перехода обычных видов разрушения в лавинное самоподдерживающееся, происходящее при внезапных выбросах, определяемые как функция безразмерных соотношений действующего давления газа в пласте, главных максимальных и минимальных напряжений н прочности угля ыа сжатие и разрыв [3, 4, 23, 29 ]. Установлена связь выбросоопасности с глубиной зоны разгрузки (спада напряжений и дегазации), а также градиентом напряжений в краевой части пластов впереди забоя, используемая при разработке способов предупреждения или снижения выбросоопасности (4, 8, 17, 25]. Выявлена зональная закономерность изменения потенциальной энергии и выбросоопасности угольных пластов по глубине залегания, установлено изменение соотношения энергии газа и горного давления (типа газодинамических явлений) с ростом глубины разработки, позволяющие повышать надежность способов прогноза и предупреждения газодинамических явлений при разработке на больших глубинах [42,44, 45, 49 ]. Разработана геомеханическая модель, обобщенный критерий и метод, дающие возможность прогнозировать степень выбросоопасности пластов, а также рассчитывать техно- логические параметры способов предупреждения внезапных выбросов, обеспечивающие безопасное ведение горных работ [4, 5, 6,25,29,48,49]. 7. Разработан метод определения вероятности внезапных выбросов в зависимости от геомеханичесхчх характеристик угольных пластов [4, 5, 6, 25, 49 ]. Практическая значимость работы. Установленные закономерности и количественные зависимости ныбросоопасности угольных пластов от их геомеханическнх свойств, особенностей напряженного и газодинамического состояния и характера разрушения газонасыщенных углей позволили предложить новые геомеханические критерии прогноза, контроля и управления чнбро-сгюпасностьюпластов, обосновать и разрдботаїь: метод оценки влияния способов управлении горным давлением на пибросоопасность прнзабойной зоны угольных пластов в лавах глубоких шахт; метод прогнозной оценки изменения энергии и потенциальной выброссопасности угольных пластов с ростом глубины разработки; способ определения категорий выбросоопасности угольных шахтопластов с учетом глубины разработки для выбора и оптимизации применения пр.~тиговыброснмх мероприятий; рекомендации по определению области применения способе г предо?Г'рг^ченчі, і:;іелпт;ич hi.i6po::on н зааиеш.е..<-сгн і>> ме-".пні'.'ма -г; лейся;!.',' и своГ'са угольных п"."і сто в, рлечетшьзке-г-српмеіїтальїм.г'е мтюды її ноно:-рамим для определений :>ф- ф"".Vri-BiEb'* n^p^f.-CifrtT- СПОСо'і)!' Н{іЄ.'і'>і'Пр.'Нії'лНК'! її СЯН:'',СН\1-4 «Ы- бросоонаснпст и; реко;-!Сгшг.циі: по прі.менеї'^'О гидравлической закладки л :нрл пота иного пространства з Центральном районе Лонб.неа в качестве способа управления горами давлением, сші.ілюіцего вц-бросоопасность угольных пластов в 10-25 и более раз. ^::^lllїl^l]ljil'l'iYїlhI:''!2ІLЇdl^lL!l Научные результаты, разработанные методк и практически; рекомендации прошли промышленные испытания, рекомендованы к внедрению и реализованы в отраслевых нормативных документах, утвержденных Минуглепромом СССР: "Инструкции по безопасному ведению горных работ на пластах, склонных к внезапным выбросам угля, породы и газа", М., 1989, 191 с. (разделы 1.6.9, 2.3.15, 2,3.15, 2.4.25, 3.2.1); "Технологических схемах разработки пластов, опасных по внезапным выбросам", М„ 1982, 256 с. (с. 169, 171, 246, 247, схема 2.9, табл. 4.3); "Технологических схемах возве- дения закладочных массивов, обеспечивающих эффективную отработку запасов под охраняемыми объектами Центрального района Донбасса", ч. 1 и II, М., 1983, 84 с, 79 с. (ч.І, с.81-82, ч. II, с. 4-8, 14, 16-17). Рекомендации по предупреждению внезапных выбросов и снижению выбросоопаскости угольных пластов с учетом геомеханических процессов использованы также в "Концепции создания высокопроизводительной, экологически чистой автоматизированной угольной шахты глубокого заложения, одобренной ГКНТСССР (1990 г.), а метод определения степени выбросо-опасности угольных пластов - при выполнении межотраслевой программы "Кливаж" в Донбассе (1979-1984 гг.). В результате применения в 11 лавах шахты "Красный Октябрь" ПО "Орджоникидзеуголь" гидравлической закладки с рекомендованными в работе параметрами вместо других способов управления горным давлением выбросоопасность угольных пластов была снижена в 20-35 раз, а экономический эффект за счет снижения частоты выбросов и отмены противовыбросных мероприятий в неопасных зонах составил около 3 млн.руб. (в ценах до 1990 г.). Разработанный автором экспресс-метод определения прочностных свойств углей в забоях горных выработок применяется при прогнозе выбросоопасности на всех шахтах, разрабатывающих угольные пласты, опасные и угрожаемые по внезапным выбросам, в Кузнецком, Донецком, Карагандинском бассейнах и на Воркутском месторождении. Научные н практические результаты работы используются в учебном курсе МГГУ "Управление состоянием массива горных пород" для студентов специальности 09.02. Апробации работы. Основные положения работы докладывались, обсуждались н получили одобрение на Ученом совете ИГД іш.А.А.Скочкнского(1980,1985,1990), заседаниях Центральной комиссии по внезапным выбросам (1986, 1991), НТС Мннутле-прома СССР (1987), на всесоюзных и международных конференциях по механике горных пород (Апатиты, 1970; Днепропетровск, 1982; Бишкек, 1989; Москва, 1993), Всесоюзной конференции по физике горных пород и процессов (Москва, 1982), всесоюзных конференциях и семинарах по проблеме борьбы с внезапными выбросами (Донецк, 1970; Макеевка, 1983; Москва, 1988), всесоюзных семинарах по измерению напряжений в массиве горных пород (Новосибирск, 1975,1977), Всесоюзной научной школе "Деформирование и разрушение материалов с де- Фектами и динамические явления в горных породах и выработках" (Симферополь, 1985, 1987, 1990). Результаты работы на разных этапах ее выполнения экспонировались на ВДНХ СССР (две бронзоные медали) и удостоены Премии имени А.А.Скочинского П990 г.).
выбросоопасности угольных пластов для усложняющихся условий
постоянно увеличивающихся глубин отработки осуществляется
на основе получения и синтеза экспериментальных данных об
особенностях напряженного -л ійзодіїиамипе-і'.огоессгоініилі ори
зпбойпых зон выброолопаспых угольнах пластові, физического
моделирования процессия разрушения угля на стадних подготовки
і: зозііі:Кііоіієніііі внезапны.», и («'бросив, анализа і:змен_('мня гсомс-
ханнческнх условий иро-,<н;,с>1нл выбросоопасности с ростом
глубин поданням ічмло/ора.ч.(саки [3-5, 8, 18, 22, 23, 27, 42, 47 j.
э призабонной зоне пластин определяете;! значенными действу
ющих максимальны:-- гг( и минимальных О^ главны:-; напряже
ний, их соотношением CTj/ffj и давлением газа в пласте. Под дей-
ri.snev ,';ЛГілЄ!Н!-г і л за '.'іГі'.б :;цп.ая г.і:сд-Л!..;их крути напр -:- є ний
"Лора сдг-нгаетс'л 'з порому уьїу-':тз'енн;і напряжений и л і?'.via пії-у,
приблизительно равную давлению газа, что соответствует сни
жению прочности, особенно заметному в области невысоких зна
чений напряжений сжатия. При увеличении напряжений боково
го сжатия 0"з — 13-ї8 МП а происходит переход от хрупкого или
хрупко-пластического вида разрушения угля к пластическому
сдвигом. Возможно упрапленне процессом разрушения угля в
иризабонной зоне пласта зл счет регулирования соотношения
0\/о$. При поддержании соотношения эффективных (с учетом
подвнгания забоя горной выработки в результате потери устой
чивости краевой части пласта, сопровождаемой переходом в
лавинное разрушение. Условия потери устойчивости и возникно
вения лавинного разрушения количественно оцениваются обоб
щенным критерием выбросоопасности угольных пластов, пред-
станлясмым в виде трех безразмерных комплексов физических
величин, характеризующих давление газа, напряжения сжатия в
пласте, пределы прочности угля на сжатие и разрыв, глубину
краевой части пласта. Сумма двух первых безразмерных комп
лексов кр~итё~р4«^^ уровень напряжений"й "даилснил
газа, соотнесенные с прочносгью (потенциальную выброаюпас-
ность, возможность лавинного разрушения), третий комплекс (со-
отношение глубины выемки it глубины зоны разгрузки* - устой
чивость призабойной части пласта в самый выброооопасный мо
мент: во время подвиганий забоя (выемки). Предложенный обоб
щенный критерий учитывает совместнее действие основных
природных и техногенных факторов, влияющих на формирование
выбросоопасной ситуации в действующих забоях горных вырабо
ток, и позволяет не только оценивать степень аьібіюсооіїасносіи.
но также рассчитывать безопасные технологические параметры
ведения горных работ и параметры протпповыбросных ме
роприятии [4, 25, 27, 29, 31, 34, 45, 48-50, 56].