Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. На шахтах Кузбасса при разработке свит высокогазоносных пологих и слабонаклонных угольных пластов средней мощности комплексно-механизированными лавами при интенсивной добыче угля стати происходить внезапные прорывы метана в прилегающее к забою выработанное пространство через вмещающие породы из соседних надрабатываемых и подрабатываемых пластов и про-пластков угля (шахты «Капитальная», «Абашевская», «Юбилейная», «Зыряновская», «Байдаевская», им. Кирова и др.). Они создают взрыво-опасіг/ю атмосферу и вызывают продолжительные остановки добычных участков. Максимальный в начальный период времени приток метана составляет от 30 до 200 м3/мин. По характеру метановыделения, регистрируемого аппаратурой автоматического газового контроля путем непрерывной записи концентрации метана, они тождественны внезапным выбросам угля и газа.
Несмотря на то, что такие явления в длинных лавах наблюдаются за рубежом, например, в Англии со второй половины XIX века и регистрируются в Донбассе, начиная с 1933 г., среди исследователей и производственников нет единого мнения о природе и механизме внезапных прорывов метана, а для Кузбасса не создано эффективных способов прогноза и предотвращения их опасности. В этой связи исследования роли природных и технологических факторов в зарождении и реализации опасности внезапных прорывов метана в лавы из соседних пластов и пропластков угля и установление на основе этих исследований основных принципов прогноза и предотвращения газовой опасности, весьма актуальны.
Диссертационная работа написана по результатам выполнения в 1995-98 гг. работ ВостНИИ (в них автор был исполнителем) по отраслевой программе «Уголь России» № 7.4.4 в соответствие с условий труда на угольных предприятиях России».
ЦЕЛЬ РАБОТЫ состоит в изучении роли природных и технологических факторов в формировании и реализации опасности внезапных прорывов метана в призабойное пространство лав из соседних над- и подрабатываемых угольных пластов и в выявлении с учетом их основных принципов прогноза, предотвращения и локализации указанной опасности. .
ИДЕЯ РАБОТЫ основана на побочном вредном эффекте опережающей защитной над- и подработки выбросоопасных зон в угольных
пластах, заключающемся в формировании под и над выработанным пространством полостей-коллекторов свободного метана под давлением-
можно прогнозировать и обезвреживать способами, используемыми при разработке пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ базируются на обобщении и анализе " материалов расследования внезапных прорывов метана в выработанное пространство лав на шахтах Кузбасса, публикаций о подобных авариях в других бассейнах, выявлении аналогии между этими явлениями и внезапными выбросами угля и газа из разрабатываемых пластов и возможности использования арсенала способов защиты от внезапных выбросов для прогноза, предотвращения и локализации опасности внезапных прорывов метана из соседних пластов с учетом современных научных представлений о напряженно-деформированном и коллекторно-фильтра-ционном состоянии газонасыщенной угольной толщи в области влияния горных работ.
выявить характерные особенности и оценить опасность внезапных прорывов метана в выработанное пространство лав из соседних пластов;
выявить аналогию между этими явлениями и внезапными выбросами угля и газа в забоях разрабатываемых пластов;
обосновать роль природных и технологических факторов в формировании и реализации газовой опасности внезапных прорывов метана в лавы из соседних пластов;
разработать методику геолого-маркшейдерской паспортизации вероятных источников газовой опасности;
обосновать основные принципы предотвращения и локализации газовой опасности с использованием арсенала способов защиты от внезапных выбросов угля и газа.
при над- и подработке выбросоопасных зон пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа, сложенных тектонически нарушенным углем с высокой начальной газоотдачей -способностью сорбированного углем метана переходить в свободное состояние быстро и в больших объемах, образуются источники газовой опасности - газонаполненные полости разгрузки от горного давления - коллекторы свободного метана под давлением на контакте пластов угля и вмещающих пород или внутри пластов между пачками нарушенного и ненарушенного угля;
эти источники газовой опасности образуются ниже критической
\
выбросоопасной глубины разработки в пределах области защитной надії подработки, соответственно, на удалении до 60 м и 100 м'от разраба-
ТЫВЯемогО ТТПЯО.ТО" ПО НппМ2Діі'
газонаполненные полости развиваются по направлению движения забоя лавы на разрабатываемом пласте, не пересекая границу зон разгрузки и опорного давления - силовой преграды на пути развития полости и, стремятся отклониться в сторону выработанного пространства;
при междупластьи менее критической мощности (25 м при надра-ботке) вдоль этой границы может образоваться щелевой канал прорыва метана из газонаполненной полости в призабойное выработанное пространство позади добычного комплекса вдоль лавы или в конвейерном штреке вдоль нижележащего угольного массива, который будет разрабатываться последующей нижней лавой;
при большем междупластьи щелевой канал прорыва метана может образоваться по сместителю дизъюнктивного нарушения или ослабленному контакту пород с различными прочностными свойствами (например, в зоне древнего размыва), имеющих выход в выработанное пространство разрабатываемого пласта;
образованию канала прорыва метана способствует динамическая нагрузка на нижележащий массив обрушившейся консоли трудно-обрушаемых пород кровли в виде удара кровли по нижележащей газонаполненной полости;
дегазация над- и подрабатываемых пластов нерациональна, т.к. ее применение до формирования, газонаполненной полости связано из-за низкой газопроницаемости неразгруженного пласта со значительным затратами времени, а после образования полости - может оказаться запоздалой. Более целесообразно заблаговременное низконапорное увлажнение таких пластов до полного водонасыщения, после которого будет исключено образование источника газовой опасности за счет блокирования сорбированного углем метана капиллярным давлением воды и пережатия фильтрующих трещин за счет набухания увлажненного угля;
по характеру выделения метана на выемочный участок внезапный прорыв газа аналогичен крупному внезапному выбросу угля и газа и разбавить потоки прорывающегося метана потоками свежего воздуха традиционной вентиляцией во многих случаях невозможно. Необходимо локализовать газовую опасность на начальной стадии прорыва газа путем оперативного изменения комбинированной схемы проветривания выемочного участка на прямоточную схему с отводом потоков прорвавшегося метана через обрушенные породы выработанного пространства
на газоотводящую ьыраоотку и далее через Бснтиляциоккук) скважину на земную поверхность с помощью газоотсасывающего вентилятора.
. на основе физической модели напряженно-деформированного, коллекторского и газофильтрационного состояния над- и подрабатываемой, угольной толщи установлено, что в области защитного действия очистных работ в пласте-спутнике формируется источник газовой опасности - полость-коллектор свободного метана, стремящегося внезапно прорваться в выработанное пространство через вмещающие породы вдоль границы зон разгрузки и опорного давления по сместителю дизъ-юнктива или ослабленному контакту пород с различными прочностными свойствами;
доказано, что внезапные прорывы газа происходят только в период движения очистного забоя над или под выбросоопасной зоной пласта спутника, сложенного тектонически нарушенным углем, который способен при упругом восстановлении ранее сжатого горного массива превращать сорбированный псевдосжиженный метан в свободный газообразный быстро и в значительных объемах;
обоснованно, что опорное давление впереди и с отставанием ниже и выше забоя лавы разрабатываемого пласта является силовой преградой на пути распространения полости разгрузки-коллектора свободного метана, обогнать которую полость не может. В результате трещины прорыва газа образуются в пределах внутреннего угла выработанного пространства, ограниченного взаимно перпендикулярными линиями забоя и борталавы;
установлено, что внезапным прорывам газа из пластов-спутников способствуют небольшая мощность разрабатываемого пласта, наличие труднообрушаемых пород кровли и высокая скорость подвигания забоя, которые создают условия для интенсивной разгрузки от горного давления выше и ниже выработанного пространства и динамической (ударной) пригрузки обрушившейся консоли кровли на нижележащую газонаполненную полость;
доказано, что по характеру газовыделения в начальной стадии внезапные прорывы газа аналогичны внезапным выбросам угля и газа и для их предотвращения наиболее рационально заблаговременное низконапорное противовыбросное увлажнение пластов-спутников, вызывающее эффекты блокирования сорбированного метана в мелких угольных порах капиллярным давлением воды и пережим фильтрующих газ трещин в угле за счет его набухания при проникновении воды в тонкую структуру угля.
в научном обосновании гипотезы внезапных прорывов метана в
механизированных лав при интенсивной разработке свит высокогазоносных пологих и слабонаклонных угольных пластов средней мощности с труднообрушаемыми породами кровли как результат побочного вредного эффекта защитной над- и подработки выбросоопасных зон пластов-спутников, сложенных тектонически нарушенным углем с высокой начальной газоотдачей при разгрузке от горного давления;
в обосновании расположения трещин прорыва газа в пределах внутреннего угля выработанного пространства лавы вдоль забоя и в погашаемом конвейерном штреке позади забоя воздействием опорного давления лавы, создающего силовую преграду на пути распространения газонаполненной полости разгрузки-коллектора возле или внутри пласта-спутника и отклоняющего полость в сторону выработанного пространства;
в установлении аналогии внезапных прорывов газа и внезапных выбросов угля и газа по характеру газовыделения и в доказательстве, что наиболее эффективным и технологичным способом предотвращения внезапных прорывов газа является заблаговременное низконапорное противовыбросное увлажнение пластов-спутников, снижающее их газоотдачу за счет блокирования сорбированного метана в мелких угольных порах капиллярным давлением воды и пережима фильтрующих газ трещин в угле за счет его набухания при проникновении воды в тонкую структуру угля.
ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, ВЫВОДОВ И РЕКОМЕНДАЦИЙ,СФОРМУЛИРОВАННЫХ В РАБОТЕ, обосновывается и подтверждается:
использованием в исследованиях материалов расследований всех зарегистрированных в Кузбассе аварий, связанных с внезапными прорывами метана в выработанное пространство лав из соседних пластов, опубликованных в технической литературе сведений об аналогичных авариях за пределами России, современных научных представлений о напряженно-деформированном и газофильтрационном состоянии газонасыщенной угленосной толщи с большим числом, диапазоном и по разному ориентированных дефектов (трещин), последних достижений в теории внезапных выбросов угля и газа и сходных с ними газодинамических явлений и в практике их прогноза и предотвращения;
отсутствием внезапных прорывов газа при отсутствии выявленных
в работе природных и технологических условий формирования и реали-зации газовой опасности.
НАУЧНАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ заключается:
б научном обосновании гипотезы внезапных прорывов метана в призабойное выработанное пространство лавы как результат побочного вредного эффекта противовыбросной опережающей защитной над- и подработки выбросоопасных зон на гшастах-спутниках.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы заключается:
в разработке основных принципов прогноза, предотвращения и локализации опасности внезапных прорывов метана в лавы из соседних ііластов, заложенных в основу действующего «Руководства по предупреждению внезапных загазирований выемочных участков при прорывах и экстремальных выделениях метана».
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения работы, а также ее отдельные результаты докладывались на научном семинаре ВостНИИ «Борьба с газодинамическими явлениями и дегазация угольных пластов» (1999, 2000 гг.), на Международной научно-практической конференции «Экономические проблемы угледобывающей отрасли в регионе при переходе к устойчивому развитию» (КузГТУ, 1999 г.), на конференции, посвященной 70-летию со дня рождения Е.А. Бобер (КузГТУ, 1999 г) и на Научно-практической конференции « НЕДЕЛЯ - ГОРНЯКА 2000» (МТУ, 2000 г. - 3 с).
ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание диссертации опубликовано в монографии, учебном пособии, в трех научных статьях и в практическом руководстве.
СТРУКТУРА И ОБЬЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа состоит из введения, 5 разделов и заключения, изложена на страницах машинописного текста, содержит 1 таблицу, 19 рисунков, список использованной литературы из 57 наименований.
