Введение к работе
Актуальность проблеми. В настоящее время в Донецком бассейне разрабатывается 447 шахтопластов, опасных и угрожаемых по внезапным внбросагл угля и газа. С переходом на белое глубокие горизонты количество выбросоопаеннх пластоп возрастает и уже.к 2000 году достигнет 60% от общего числа разрабатываемых шахтопластов. Несмотря на принимаемые усилия учеїтх и производственников, проблема внезапных выбросов продолжает оставаться актуальной и травматизм от них имеет место. Особенно это относится к очистным работам на пологих тонких и весьма тонких выбросоопасных пластах, обгем добычи на котсь . рых в последние годы превышает 70,. где занято наибольшее число; горнорабочих.
Для предотвращения выбросов угля и газа применяются преимущественно локальные способы, выполняемые непоередет-. веяно из дейотвущих забоев очистных и подготовительных выработок, что несмотря на достаточно высокую их эффективность, сопряжено со значительными трудовыми затратами, снижающими нагрунку на очистной забой. Извеотяне региональные способы предотвращения выбросов угля и газа не натпи широкого применения из-за невозможности бурения скважин в условиях высокой газодинамической активности внбросоопаеннх угольных пластов на бсяьших глубинах. В этой связи борьба с внезапными выбросами угля и газа стала на только проблемой повышения уровня безопасности труда'при разработке выброооопас-ннх пластов, но и проблемой обеспечения выооких технико-экономических показателей на выемочных участках.
Возникла необходимость разработки принципиально новых технических решений, позволяющих осуществлять так называв-
4 мне воздействия на массив "через влияние", то есть создание , региональных способов предотвращения выбросов, выполняемых не в угольном пласте, а во вмещающих породах. Перспективньсни для этих целей являются способи воздействия взрывом на угольный пласт через выедающие породы, которые основываются на нарушении сплошности кровли (почвы), приводящей к перераспределению горного и газового давления впереди очистного забоя. Наиболее реальній путь установления данной связи лежит через исследование динамики .изменения состояния горного массива в процессе импульсного воздействия с конкретными параметрами. При этом эффективность импульсного воздействия для предотвращения выбросов угля и газа сопряжена с управлением элементами динамического процесса деформирования массива, разгрузкой и дегазацией угольного пласта.
Опыт разработки выбросоопасных пластов Донбасса показал, что технология очистных работ во многом определяет характер напряженного и газодинамического состояния призабой-ной части пласта, а, следовательно, и интенсивность проявления выбросоопасности. Поэтому на основании учета горнотехнических факторов может осуществляться управляемое технологическое воздействие на призабойную часть угольного пласта, обеспечивающее безопасную и эффективную выемку угля механизмами без предварительного выполнения противовыбросных мероприятий.
Изложенное указывает на актуальность решения научной проблемы разработки положений, о динамике геомеханических процессов, происходящих в выбросоопасном горном массиве, и на их основе создание и реализация технических решений по предотвращению внезапных выбросов угля и газа при разработке пологих тонких и весьма тонких выбросоопасных плас-
5 тов.
Диссертационная работа базируется на результатах исследований, выполненных в рамках программ ГКНТ по решению научно-технической программы 0.05.05 в период 1930...1990 гг. В ней решена важная научная проблема, имеющая большое народнохозяйственное значение и заключающаяся в рзлра^эн.о научно обоснованных способов предотвращения внеяапнкх аыбросоь угля и газа при отработке пологих вибросоопасных пластог Дон- , басса.
Целью работы является установление закономерностей управляемого импульсного и технологического воздействия яа горный массив, обеспечивающего предотвращение внезапных внб-росов угля и газа в лавах пологих пластов.
Идея работы заключается в интенсификации процесса формирования зоны разгрузки и дегазации угольного пласта впереди очистного забоя путем воздействия на вмещающие угольный пласт породы и под влиянием технологических факторов.
Методи исследования. В работе использованы аналитические методы исследований механики сплошной среды и механики разрушений, методы расчета напряжений и газовой динамики в краевой части разрабатываемого выбросоопасного пласта; шахтные экспериментальные исследования изменений напряженного и газодинамического состояния призабойкой части пласта в лавах пилотах вибросоопасннх пластов; математическая обработка, базирующаяся на теории вероятности, теории подобия и дисперсионного анализа с применением ЭВМ.
Научные положения, разработанные лично соискателем. выносимые на защиту.
І. Hay тне основы способа снижения динамичности проявления горного давления в призабойкой части пласта, за-
ключаодегося.в предварительном разупрочнении пород кровли при производстве передового торпедирования, приводящего к образованию областей, ослабленных радиальными трещинами, прорастающими в процессе прближения лавы к плоскости торпедирования в магистральные тревдяы, расчленяющие труднообрушающие-оя породы на небольшие блоки,, способствующие в призабойной части лав формированию зоны разгрузки и дегазации пласта, выемка угля в которой ие сопровождается внезапными выбросами угля и газа..
2. Методика проведения шахтных экспериментальных измере
ний влияния импулъоного воздействия при взрывании сквакинных
,зарядов в породах кровли плаота на изменение выброооопаснооти его в призабойной чаоти пря последующей выемке угля. При этом учитываются углы наклона .и разворота скважин передового торпедирования,' расстояние от плоскости торпедирования до очистного забоя, линейная плотность'заряда, обеспечивающие при взрывании дополнительную разгрузку призабойной части пласта.
3. Экспериментально полученные зависимости, позволяющие
расчитывать расстояния между линиями скважин при передовом '
торпедировании пород кровли на основании предварительно уста
навливаемой иоходной величины зоны разгрузки, образующейся
под воздействием горного давления, и технологической глуби
ны выемки, обеопечивающие после торпедирования устранение.
' выброоошасности призабойной часта пласта.
4. Положение о том, что передовое торпедирование пород
кровли приводит к снижению в 3 раза акустичеекзй эми ,сии '
плаота, уменьшению газозыделения в 2 раза при выемке угля,
повышению крепооти угля в 1,2 а увеличению зоны разгрузки в
1,3 раза но сравнению о аналогичными показателями, долуч^н-
льми без торпедирования.
7 5. Физическая и математическая модели деформирования породного массива как гетерогенной, трещиновато-пористой газо-наснщенной средн, позволяющие количественно оценивать влияние параметров струговой выемки (скорости и величины подви-гаяия очистного забоя, длина участка внемли, г.родедеятельность технологических перерывов между снятием пэлос угля) на изменение напряженно-деформированного к газодинамического состояния горного массива. Зависимость величины зоны разгрузки от горно-геологических и технологических факторов, используемая для выбора оптимальных параметров струговой выемки без выполнения специальных противовнбросных мероприятий.
Достоверность научных положений и выводов подтверждаются:
статистически значимым объемом экспериментальных данных;, представительностью объектов, на которых.они получены и положительными результатами промышленных испытаний разработанных способов предотвращения выбросов;
соответствием разработанных физической и математической моделей напряженно-деформированного и газодинамического состояния горного массива и установленных закономерностей формирования зоны разгрузки призабойной части пласта и современным представлениям о природе и механизме внезапных выбросов угля и газа и данным практики;
удовлетворительной схгдимостыз результатов-аналитических решений, шахтных экспериментов.-и данных промышленных испытаний, расхождение между которыми не превышает 17^.
Научная новизна исследований заключается в следующем:
в научной разработке основ метода управляемого высвобождения энергии горного массива за счет заблаговременного
8 разупрочнения пород кровли пласта и рационального технологического воздействия на- призабойную часть лав при выемке угля, позволяющих предотвратить внезапные выбросы;
в установлении зависимости увеличения размеров безопасной зоны разгрузки впереди очистных забоев от разупрочнения пород кровли за счет взрывания скважинных зарядов, располагаемых на рациональных расстояниях, обеспечивающих предотвращение защемления краевой части пласта;
в экспериментально установленной зависимости величины приращения зоны разгрузки в лаве от физико-механических свойств пород кровли пласта, расстояние между забоем и плоскостью расположения скважир для торпедирования, утла ее наклона, линейной плотности заряда, позволяющей определять глубину выемки (выемочного цикла), исключающей возникновение выбросов;
в установлении .зависимости размеров зоны разгрузки в приэабойной части пласта при струговой выемке от величины и скорости подвиганая лавы, длины участка выемки, времени между циклами выемки, размером консоли зависших пород кровли, позволяющей' расчитывать рациональные технологические параметры выемки, обеспечивавшие предотвращение внезапных выбросов.
Научное значение работы заключается:
в определении физической сущности управления геомеханическими процессами при импульсном воздействии на вмещающие угольный пласт породы, разработке теоретических основ управляемого высвобождения энергии горного массива путем передового торпедирования пород кровли и оптимизации параметров технологического воздействия на призабойную часть выбросоопаеного пласта при струговой выемке;
в установлении зависимостей формирования безопасной зоны разгрузки от технологических факторов и параметров управления горнил давлением, обеспечивающих устранение выбросо-опасности в призабойной части угольного пласта.
Практическая ценность работы. Разработаны методы ло управлению геомехакичеекимл процессами, обеспечига;:і,ие регио-нзльность разгружающей по фактору выброс.опасности обраоотки массивов без непосредственного воздействия на угольный пласт. Способ импульсного воздействия на породы кровли пласта путем передового торпедирования для предотвращения внезапных выбросов угля и газа внедрен в условиях тахтопластов Донбасса, отнесенных к категории особо выбросоопасных. Применение разработанных средств и способов по оптимизации технологических параметров струговой выемки обеспечивает безопасность и эффективность очистных работ на пологих весьма тонких и тонких выбросоопасных пластах без предварительного выполнения про-тивовыбросных(мероприятий.
Реализация работы в промышленности. Региональный способ преде вращения внезапных выбросов угля и газа,' основанный на импульсном воздействии на вмещающие угольный пласт породы, доведен до стадии нормативного: "Временное руководство по применению передового торпедирования кровли для предотвращения внезапных выбросов угля и газа в очистных выработках" включено в ноі-уго редакцию "Инструкции по безопасному ведению горных- работ на пластах, склонных к газодинамическим' явлениям", а технология передового торпедирования кровли для предотвращения выбросов угля и газа включена в Инструкцию по применению сотрясательного взрывания "Единых правил безопасности п^и взрывных работах" (1993). Рекомендации по безопасной и эффективной технологии струговой выемки rroftq-
го
гих выбросоопасвых пластов включены в "Технологические схемы разработки пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа" ив новую редакцию "Инструкции по безопасному ведению горных работ на пластах, склонных к газодинамическим явлениям". По состоянию на 01.01.1994 г. рекомендации по безопасной и эффективно! технологии струговой выемки применяются в 42 очистных забоях пологих опасных по выбросам пластов Донецкого бассейна.
Апробация работы. Основные результаты научных исследований доложены и получлли одобрение на Центральной комиссии по борьбе с внезапными выбросами угля, породы и газа (1980) и ее секции по Донецкому бассейну (1985, 1990), Всесоюзном семинаре специалистов по обмену передовым опытом совершенствования технологии проектирования угольных предприятий (г. Днепропетровск, I98D), секции "Техники безопасности и охраны труда в. угольной промышленности" Республиканского ШТО (г. Донецк,. 1980).,'конференции стран СНГ по проблеме внезапных выбросов угля, порода и газа (Москва, 1983), Международном семинаре цо проблемам геомеганических процессов в горном деле (Москва, 1993).
Публикации.- По результатам исследований опубликовано 29 научных работ, включая 4 авторских свидетельств, брошюру и две монографии.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 разделов и заключения, содержит 46 рисунков, 34 таблиц, список литературы из 102 наименований и 4-х приложений. Она изложена на 220 страницах, общий объем работы 251 страница.
Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам отделов внезапных выбросов угля, порода и газа и взрывных работ
и взрывчатых материалов МакШИ за помощь в проведении иссле-дований и авторском надзоре при внедрении разработанных технических решений на шахтах Донбасса.
