Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние изученности вопроса. цель и задачи исследований 11
1.1 Общие сведения о горных ударах и формировании удароопасных ситуаций при работе очистных механизированных комплексов 11
1.2 Тектоническая нарушенность и ее влияние на удароопасность угольных пластов 17
1.3 Общие сведения о внезапных выбросах угля и газа и их проявления в зонах тектонических нарушений 21
1.4 Методы прогноза, предотвращения и оценки эффективности защитных мероприятий , применяемых на ударо- и выбросоопасных угольных пластах 25
1.5 Существующие методы перехода передовых выработок тектонических нарушений очистным механизированным комплексом 29
1.6 Выводы. Цели и задачи исследований 31
2 Исследование влияния очистных работ на напряженное состояние массива впереди очистного забоя в зоне передовых выработок 33
2.1 Исследование влияния очистных работ на напряженное состояние массива
2.2 Экспериментальные исследования влияния очистных работ на геомеханическое состояние массива в зоне выработок
2.2.1 Методика экспериментальных исследований 43
2.2.2 Исследования напряженного состояния массива в зоне конвейерного штрека 47
2.2.3 Исследования напряженного состояния массива в зоне передовой выработки со стороны вентиляционного штрека 51
2.2.4 Исследование напряженного состояния массива в зависимости от длины консоли пород основной кровли при работе комбайна 56
2.3Выводы 64
3 Исследование физико-механических свойств угольных пластов и изменение параметров стационарного геополя в зонах влияния разрывных нарушений 67
3.1 Физико-механические свойства угля и пород в зонах влияния тектонического нарушения 67
3.2 Прочностные и деформационные свойства угля и пород в зонах тектонической нарушенности 72
3.3 Изменение геофизических параметров угольных пластов в зонах влияния тектонических нарушений 75
3.4. Определение протяженности зоны влияния тектонического нарушения 79
3.4 Выводы 80
4. Оценка эффективности гидрообработки ударо - и выбросоопасных участков угольных пластов 81
4.1 Методика проведения электрометрических измерений 81
4.2 Разработка метода контроля эффективности увлажнения в краевых зонах массива при гидрообработке 85
4.3 Оценка ударо- и выбросоопасности увлажненных зон угольных пластов 91
4.4 Выводы 96
5. Разработка метода перехода передовых выработок и разрывных нарушений очистным механизированным комплексом 98
5.1 Методика перехода передовых выработок и тектонических нарушений очистным механизированным комплексом 98
5.2 Лабораторные исследования физико- механических свойств углепласта 101
5.3 Расчет экономической эффективности отработки угольных пластов
в зонах дизъюнктивных нарушений по предлагаемому способу 103
5.4 Выводы 105
Заключение 106
Список использованных источников
- Общие сведения о внезапных выбросах угля и газа и их проявления в зонах тектонических нарушений
- Исследования напряженного состояния массива в зоне конвейерного штрека
- Прочностные и деформационные свойства угля и пород в зонах тектонической нарушенности
- Оценка ударо- и выбросоопасности увлажненных зон угольных пластов
Введение к работе
Актуальность работы В настоящее время глубина горных работ на шахтах, отрабатывающих угольные пласты с ценными марками углей, постепенно увеличивается, а сама отработка в ряде случаев ведется в тектонически нарушенных зонах. Это сопровождается увеличением природной газоносности, ростом напряженного состояния массива горных пород и изменением прочностных свойств угольных пластов по простиранию. Растет опасность проявления динамических и газодинамических явлений, особенно в зоне передовых выработок и при отработке пластов в зонах влияния тектонических нарушений. Объем шахтных полей, имеющих геологические нарушения, ежегодно увеличивается. Отказ от перехода нарушений механизированными комплексами сопровождается потерями угля в целиках в области нарушений, в результате чего возникают зоны повышенного горного давления на нижележащий пласт. Переход комплексом геологического нарушения связан с рядом технологически трудновыполнимых приемов управления секциями крепи, укрепления боковых пород, возведения дополнительной крепи в зонах нарушения и т.д.
Одним из основных способов борьбы с проявлением горных ударов и внезапных выбросов угля и газа является низконапорное увлажнение угольного пласта, но из-за низкой смачиваемости углей эта задача остается актуальной и по сей день. В настоящее время в Кузбассе применяется метод прогноза горных ударов по выходу буровой мелочи при поинтервальном бурении шпуров, а для прогноза выбросоопасности применяется метод, включающий контроль структуры пласта и начальной скорости газовьщеления при бурении контрольных шпуров. Эти методы являются очень продолжительными по времени и трудоемкими. Кроме того, на увлажненных участках они практически не работают, и не представляется возможным оценить эффективность защитных мероприятий. В этой связи задача обеспечения безопасной отработки ударо- и выбросоопас-ных угольных пластов в зонах тектонических нарушений является актуальной.
Диссертационная работа выполнена автором в соответствии с планом НИР КузГТУ на шахтах Кузбасса.
Цель диссертационной работы состоит в разработке методов безопасной отработки ударо- и выбросоопасных участков угольных пластов, угрожаемых по горным ударам и внезапным выбросам угля и газа, при переходе передовых выработок и разрывных тектонических нарушений очистным механизированным комплексом.
Основная идея работы заключается в использовании закономерностей изменения геофизических параметров массива в зависимости от напряженного состояния горных пород, степени их нарушенности и влагонасыщения при гидрообработке и разработке на этой основе метода определения безопасных параметров и способа перехода нарушенных участков угольных пластов очистным механизированным комплексом.
РОС. НАЦИОНАЛЬНА*
БИБЛИОТЕКА |
Задачи исследований:
изучить закономерности влияния очистных работ на напряженное состояние массива и формирование удароопасных зон на участках угольных пластов, прилегающих к горным выработкам и нарушенным зонам;
установить особенности распределения механических свойств угольных пластов и вмещающих пород в зонах влияния тектонических нарушений и разработать методику оценки протяженности этих зон;
изучить закономерности распределения влаги в краевых зонах угольных пластов при гидрообработке и разработать методы оценки эффективности увлажнения при борьбе с горными ударами и внезапными выбросами угля и газа;
определить параметры технологии безопасной выемки угольных пластов в нарушенных зонах.
Методы исследований
Для решения поставленных задач был использован комплексный метод, включавший проведение лабораторных и натурных исследований на угольных шахтах, разработку и построение физических и аналитических моделей. Научные положения, выносимые на зашиту:
-
При подвиганий очистного забоя напряженное состояние целика между передовой выработкой и очистным забоем начинает возрастать на расстоянии от него 30-25 м, при этом максимум напряжений на удароопасных пластах находится на расстоянии 2-6 м от забоя, а коэффициент концентрации напряжений определяется прочностью угля на сдвиг.
-
В зонах угольных пластов, прилегающих к разрывным нарушениям, крепость угля по М.М. Протодьяконову в 1,5-2,0 раза меньше, чем в ненарушенных зонах, а протяженность нарушенных зон устанавливается по резкому снижению в 2-4 раза потенциала геоэлектрического поля и увеличению в 3-5 раз удельного эффективного сопротивления по сравнению с ненарушенными зонами.
-
Равномерность увлажнения угольных пластов достигается при давлении в гидросистеме (1,0-1,5)уН в первые 4-5 мин нагнетания и дальнейшем снижении его до 0,75уН, при этом происходит дополнительное самодвижение воды в порах, а равномерность и степень увлажнения контролируются по переходу потенциала геополя через ноль и величине удельного эффективного сопротивления (УЭС) массива.
4. Для перехода очистным механизированным комплексом дизъюнктив
ных нарушений с относительной амплитудой сместителя более 0,5 предвари
тельно определяют протяженность зон влияния нарушения в висячем и лежа
чем крыльях, проходят необходимое число подготовительных выработок вдоль
сместителя вплотную друг к другу по предполагаемой траектории движения
комплекса, причем каждая последующая выработка проходится после анкеро-
вания пород кровли и заполнения предыдущей углепластом прочностью, рав
ной прочности ненарушенного угольного пласта.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в работе, базируется на обширном экспериментальном материале, сходимости (с погрешностью, не превышающей 20%) полученных результатов с результатами исследований других авторов, на практическом использовании методик для решения задач по повышению безопасной отработки ударо-и выбросоопасных угольных пластов при переходе передовых выработок и тектонических нарушений очистным механизированным комплексом.
Научная новизна диссертации заключается:
в установлении закономерностей деформаций пород кровли и угольного пласта впереди очистного забоя на сопряжениях диагональной печи с конвейерным и вентиляционным штреками, а также в самой передовой выработке, определении влияния длины консоли пород основной кровли на концентрацию напряжений, установлении соответствия формирования удароопасной ситуации при приближении очистного забоя к нарушенной зоне, как в целике при сокращении его размеров;
в установлении характера и диапазона изменения коэффициента крепости угля и пород в зонах влияния тектонического нарушения, а также геофизических параметров: потенциала геополя и удельного эффективного сопротивления, по изменению которых можно определять протяженность зон влияния в висячем и лежачем крыльях разрыва;
в установлении закономерностей фильтрации воды в краевой зоне пласта при проведении гидрообработки ударо- и выбросоопасных зон в режимах гидрорыхления и низконапорного увлажнения, определении параметров контроля эффективности гидрообработки, а также установлении критических значений влажности, обеспечивающих безопасные условия отработки ударо- и выбросоопасных угольных пластов;
в разработке параметров безопасной технологии при отработке ударо- и выбросоопасных угольных пластов в зонах передовых выработок и при переходе разрывных нарушений очистным механизированным комплексом.
Научное значение работы заключается в установлении закономерностей деформирования массива горных пород впереди очистного забоя и особенностей формирования ударо- и выбросоопасных ситуаций при переходе механизированным комплексом передовых выработок и тектонически нарушенных зон, расширяющих наши представления о механических процессах в массиве горных пород.
Личный вклад автора состоит:
- в установлении закономерностей деформирования массива горных по
род и формирования удароопасных зон впереди очистного забоя вблизи пере
довой выработки;
в установлении характера взаимосвязи крепости угля с геофизическими параметрами;
в установлении критериев ударо- и выбросоопасности на увлажненных участках угольных пластов;
в определении параметров технологии при выемке угольных пластов в нарушенных зонах.
Практическая значимость работы заключается в разработке:
способа оценки протяженности зоны опорного давления, расстояния до максимума опорного давления и нормальных к пласту напряжений впереди очистного забоя;
метода установления безопасного расстояния от очистного забоя до тектонического нарушения;
- методики оценки эффективности увлажнения краевых зон угольных
пластов;
оптимальных параметров нагнетания-воды в угольный пласт;
методики установления критических значений влажности угольных пластов;
способа перехода передовых выработок и дизъюнктивных нарушений очистным механизированным комплексом, позволяющего повысить безопасность горных работ при отработке ударо- и выбросоопасных угольных пластов.
Реализация выводов и рекомендации работы
Научные результаты и практические рекомендации, полученные в результате исследований и представленные в данной диссертационной работе, проверены в условиях шахт Кузбасса на различных месторождениях и включены в „Руководство по определению параметров зон влияния тектонических нарушений и производству электрометрических измерений при оценке эффективности гидрообработки ударо- и выбросоопасных участков угольных пластов", а также в „Руководство по вьшолнению спектрально-акустического контроля (прогноза) выбросоопасности на шахтах Кузбасса", применение которых позволяет повысить безопасность ведения горных работ и получить экономический эффект.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях и семинарах КузГТУ (1988-1989, 2000-2003 гг.), конференции, посвященной 100 - летаю со дня рождения П.И. Кокорина (2002 г.), научно-практической конференции „Вопросы повышения безопасности горных работ на шахтах" (г. Прокопьевск, 2003 г.), Международной конференции „Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири" (г. Кемерово, 2004 г.).
Публикации. Результаты диссертационной работы изложены в 10 научных работах, из которых 7 статей, одно авторское свидетельство и два нормативно- методических документа.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из пяти глав, введения и заключения, изложенных на 122 страницах, содержит 38 рисунков, 1 Ітаблиц и список литературы из 92 источников.
Общие сведения о внезапных выбросах угля и газа и их проявления в зонах тектонических нарушений
Район относится к зоне крутых складок и интенсивной нарушенности. Структура района осложнена большим количеством синклиналей и антиклиналей второго и более мелких порядков, которые разорваны множеством нарушений различной формы и амплитуды. Как оси складок так и поверхности разрывов простираются почти паралельно общему направлению простирания основной структуры. Наиболее крупные дополнительные складки второго порядка-Нулевая, I и III синклинали - прослеживаются по всему району. Они также осложняются дополнительными складками третьего порядка. В юго-восточной части района к востоку от третьей синклинали установлено еще несколько складок IY,Y,YT,YII синклинали и ряд антиклиналей. Складки характеризуются линейными формами: узкие, вытянутые, преимущественно с острыми замками и крутым падением крыльев от 50 до 80 , местами наблюдаются более пологие и более крутые залегания крыльев вплоть до опрокинутых. Разрывные нарушения развиты очень широко. В районе насчитывается около 15 только крутых разрывов, прослеживающихся на расстояние 10 км и более.
Все они располагаются более и менее параллельно друг другу под небольшим углом к господствующему простиранию толщи. Преобладающее падение сместителей на юго-запад под углом 70-80 . Крупные разрывы сопровождаются широкими зонами мелких разрывов и трещиноватости.
Араличевкий район. В структурном отношении этот район представляет собой купол, осложненный дополнительной складчатостью. В крыльях складок угольные пласты имеют крутое залегание. Восточная часть купола нарушена более интенсивно, причем сместители некоторых надвигов имеют складчатую форму.
Ленинский район. В структурном отношении район представлен серией пологих синклинальных складок, вытянутых с юга-запада на северо-восток и разделенных друг от друга крупными разрывами. Основные синклинали района - Никитская, Ленинская, Егозово-Красноярская. Разрывные нарушеня встречаются редко.
Беловский район. Представлен тремя крупными брахисинклинальными структурами ( Беловской, Чертинской, Новороссийской). Новороссийская брахисинклиналь вследствие сильной нарушенности не осваивается . Байдаевский район. Основной структурной формой является байдаевская брахисинклиналь. Западное крыло этой складки крутое 45-70, восточное пологое 10-25. На востоке района расположен крупный і Абашевский купол ( брахисинклиналь ), на севере- Антоновская брахисинклиналь.
Осинниковский район. Основная структура района — шелканская синклиналь, которая переходит к северу в Подобасско-Тутуярскую синклиналь. В западном крыле шелканской синклинали развита дополнительная складчатость и разрывные нарушения, особенно мелкие.
Томь-Усинский район. В районе выделяется четыре параллельных тектонических зоны : полоса западного моноклинала, центральная зона сложных складок и восточный моноклинал. В пределах западного моноклинала развиты небольшие флексурные складки и разрывные нарушения. Центральная складчатая зона состоит из двух-трех складок. В восточной зоне залегание пологое спокойное. Изучая нарушенность выемочных полей и сравнивая их с другими регионами, было установлено, что в основном встречаются нарушения типа взбросы и сбросы, реже надвиги, относительная амплитуда смещения по отношению к мощности пласта составляет от 0,5 до 1,0 и по протяженности до 1 км.
Таким образом, тектоническая нарушенность угольных пластов Кузбасса весьма высока, что влечет за собой значительные трудности при отработке их очистными механизированными комплексами.
В настоящее время широко применяются механизированные комплексы, позволяющие переходить нарушения с небольшими амплитудами смещения, но в процессе перехода снижается нагрузка на очистной забой вследствие возникновения ударо-и выбросоопасных ситуаций. Наблюдается присечка боковых пород и выход из строя отдельных узлов комплекса. Модернизация комплексов не позволила полностью решить проблему перехода нарушенных зон, эффективность работы комплекса сдерживается осложнениями по управлению секциями крепи в нарушенной зоне, укреплению боковых пород, необходимости присечки крепких пород. Анализ литературных источников показывает, что разрывные нарушения оказывают существенное влияние на проявление динамических и газодинамических явлений [25,26,27,28]. Это также наблюдается и в мировой практике. Влияние разрывов на формирование опасных зон до сих пор окончательно не ясно. Не изучены до конца вопросы влияния нарушений на : - характер изменения прочностных свойств угольного пласта и вмещающих пород и протяженность этих участков в зонах влияния разрывного нарушения ; - характер перераспределения опорного давления в висячем и лежачем крыльев разрыва при подходе очистных выработок; - газоносность и давление газа в зонах влияния нарушения. Детальное изучение данных факторов позволит выяснить условия формирования ударо-и выбросоопасных ситуаций и разработать методы их прогноза и предотвращения при переходе очистным механизированным комплексом разрывных нарушений. В большинстве случаев в зоне влияния разрывных нарушений наблюдаются газодинамические явления комбинированного типа, т.е. процессы внезапного разрушения массива горных пород, сопровождающиеся интенсивным газовыделением.
Исследования напряженного состояния массива в зоне конвейерного штрека
Измерялись скорость смещения пород с помощью реперов, забитых в кровлю и борта выработки, а также потенциал естественного электрического поля.
Датчики были установлены в скважинах, пробуренных в угольный пласт ( датчик 1) и кровлю пласта ( датчик 2). Потенциал измерялся относительного нулевого датчика расположенного на расстоянии 50 м в скважине на глубине Зм. На рис. 2.10 представлены кривые, показывающие скорость схождения бортов штрека в мм/сут ( кривые АБ,ВГ), а также скорость уменьшения расстояний между устьем вертикальной скважины (точка Д ) и точками Б и Г, являющимися устьем горизонтальных шпуров, пробуренных в массив угля (кривые ДГ и ДБ ), на расстояниях 31,5 + 10 м от забоя лавы, при его подвиганий.
Датчики были установлены на расстоянии 46м от очистного забоя. Возрастание величины потенциала р в данном случае связано с возрастанием механических напряжений, а уменьшение ср отражает уменьшение напряжений
Скачки потенциала на расстояниях 46,43,40,38,36 и т.д. отражают разгрузку массива при частичном обрушении пород основной кровли. На расстоянии 31,5 от очистного забоя резкое увеличение ф нужно понимать как критический момент, когда напряжение в кровле и угольном пласте достигли своих максимальных значений. После чего массив угля не выдержал нагрузки и стал интенсивно деформироваться в сторону штрека, что привело к резкому уменьшению напряжений в пласте при подвиганий очистного забоя до отметки 22м. Кровля по данным датчика Д2 также при этом испытала интенсивное деформирование.
Скорость схождения бортов рис.2.10.(кривая АБ) на отметке 24м возросла от 04 до 4,2мм/сут. Дальнейшее уменьшение скорости на отметке 15м рис.2.Ю.(кривые АБ, ДГ, ВГ) связано со вторичными осадками. Максимум напряжений сформировался на расстоянии 11м от очистного забоя.
После частичного обрушения кровли напряжения в кровле стали падать до отметки 4,5м, а угольный пласт стал пригружаться на этом участке, по-видимому, за счет расслоения кровли. Обратный характер изменения напряжений в кровле и пласте наблюдается в ряде других случаев ( отметки 40 38м ; 34-КЗЗм; 20 18м; 17-И5м). Основные результаты проведенных исследований сводятся к следующему.
1. Если к очистному забою со стороны вентиляционного и конвейерного штреков примыкает выработанное пространство, а основная кровля сложена породами крепостью не выше 8,0 по М.М. Протодъяконову, то значительных зависаний кровли в областях массива, примыкающих к выработкам, не возникает. Шаг обрушения в большинстве случаев составляет порядка 2-Зм.
2. Локальные концентрации напряжений в массиве могут наблюдаться на расстояниях до 32м от очистного забоя, но удароопасных ситуаций при этом не возникает.
3. На расстоянии около 15м от очистного забоя скорость схождения бортов штрека может достигать 20 мм/сут и более, что вызывает необходимость наблюдений за поведением крепи, которую может выдавливать в сторону штрека.
Большая часть динамических и газодинамических явлений при подземной добыче каменных углей приурочена к определенным зонам, называемым потенциально опасным. Например, при нисходящем порядке отработки выемочного столба в верхней части лавы концентрируются напряжения со стороны самой лавы, со стороны выработанного пространства вышележащего отработанного подэтажа, также дополнительно могут накладываться зоны ПГД от вышележащих целиков и краевых частей, а также зоны опорного давления от передовых выработок. При подходе лавы к передовой диагональной печи могут возникать удароопасные ситуации, т.к. в этом случае участки массива в плане представляют треугольники, в зоне которых суммируются все нагрузки. Периодичность прогноза удароопасности при подвиганий на 6-8м составляет 2-3 раза в сутки в очистных забоях, а в подготовительных выработках при их суточном подвиганий 8м - 5-10 прогнозов [64].
Если осуществлять прогноз по выходу буровой мелочи, то на каждый из них с учетом бурения 3 6 скважин длиной 5-6 метров требуется от 1 до 1,5 часов времени на бурение [64].
Мониторинг геомеханического состояния массива, особенно на потенциально опасных участках, можно осуществлять с помощью реперных станций, а также геофизическими методами. С целью установления особенностей формирования геомеханического состояния массива впереди очистного забоя в зоне передовых выработок нами были проведены исследования в лаве № 17124 по пласту Бреевскому в условиях шахты им. Кирова. Глубина залегания пласта составляла 185-325м с углом падения 6 -9 [43]. Литологическая колонка горных пород на участках наблюдений представлена в табл.2.1
Технологические параметры Литотип Структурная колонка Мощность, м МПа Коэффициент крепости no М.М. П рот о дъя конову
Основная кровля : Трудноуправляемая, тяжелая Шаг посадки: первичной-ЗОм,вторичной 3-5м. Песчаник спрослойкамиалевролита 20 50,0-70,0 5-6
Непосредственная кровля В зонах аргиллитов- средней Аргиллит 3 20,0-30,0 устойчивости Ложная кровля Аргиллит 0,1-0,3 0,05 1,5-2 Пласт Бреевский Мощностям: полная- Уголь 2,8 0,3- 1,5-2 угольных пачек- 2,5 1,8 породних прослоев- 0,25 Почва пласта Р к размоканию и пучению Аргиллит 111 3 7,0- 3 не склонна ІШШІІ 9,0 Основная кровля представлена светло-серыми песчаниками средней зернистости и крепостью f = 5-К) по М.М. Протодъяконову. Больших зависаний при такой основной кровле ждать не приходится, но, тем не менее, весьма важно определиться с возможностью образования потенциально удароопасных участков вблизи передовых диагональных выработок. Схема установки реперов и датчиков, измеряющих потенциал естественного электрического поля (ЕЭП), представлена на рис 2.12.
Прочностные и деформационные свойства угля и пород в зонах тектонической нарушенности
Цель исследований заключалась в изучении прочности угля и пород на различных расстояниях от разрывов с целью выявления условий, необходимых для возникновения горных ударов и внезапных выбросов угля и газа. Определение показателей, характеризующих прочностные и деформационные свойства угля и пород в районах разрывных нарушений, проводилось как в натурных так и в лабораторных условиях [79-81].
Исследования прочностных и деформационных свойств угля в натурных условиях проводилось с помощью давильной установки конструкции ВНИМИ, и с помощью прочностномера Г.Н. Фейта [79], а в лабораторных условиях - экспресс методом проф. М.М. Протодъяконова.
Прочность вмещающих пород на различных расстояниях от сместителей разрывов определялась в натурных условиях непосредственно в горных выработках на обнажениях пород с помощью прибора РПК-2 конструкции КузНИУИ [81].
Результаты , полученные проф. П.В. Егоровым с помощью давильной установки, дают картину изменения прочности угля в зависимости от расстояния до разрыва. Эти испытания проводились на пласте Мощном в Прокопьевско - Киселевском районе. Пласт относился к потенциально опасным по горным ударам. Угол падения пласта 56; мощность - 10 м; вертикальная амплитуда смещения составляла 10,5 м; мощность самого сместителя -1,5м.
В результате испытаний были определены модуль упругости, коэффициент поперечных деформаций, а также прочность угля на одноосное сжатие (табл.3.5) Таблица 3. Результаты измерений прочностных и деформационных свойств угля пласта Мощного у разрывного нарушения
Изменение прочности угля в зависимости от расстояния до разрыва. Из графика видно, что уголь на расстоянии более 15м от разрыва становится более прочным, упругим, следовательно участок из неудароопасного в самом нарушении может переходить в потенциально опасный. Из этого следует, что у разрывных нарушений существуют участки угля, породы, у которых прочность и упругие свойства значительно ниже, чем вне их. На рис.3.3 представлены характер изменения крепости угля и породы на различном расстоянии от разрывов. ЩІ - в лежачем боку Из этого следует, что у разрывных нарушений существуют зоны, в которых как уголь, так и вмещающие породы имеют пониженную крепость. В этих же зонах установлено наличие наибольшей густоты образовавшихся трещин [7 6].
Проведенными исследованиями также установлено, что наибольшему дроблению подверглись породы висячего крыла разрыва и нарушений типа взбросов, их протяженность в несколько раз превосходит ширину зоны в лежачем крыле разрыва. На основании полученных выше результатов угольный пласт можно представить в виде участков, состоящего из прочного и непрочного нарушенного угля.
Изменение геофизических параметров угольных пластов в зоне влияния тектонических нарушений.
Исследования показали, что уголь в зонах влияния тектонических нарушений имеет низкие прочностные свойства, представлен мелкими фракциями, плохо проницаемыми для газа. По своим показателям: коэффициенту проницаемости, пористости и т.д. он аналогичен углям выбросоопасных пачек угольных пластов, например углю пласта Владимировского.
В силу малой проницаемости эти угли имеют влажность менее одного процента, поэтому обладают высоким удельным эффективным сопротивлением (УЭС). В качестве примера на рис.3.4представлены результаты исследований по пласту Владимировскому [1]. Из забоя подготовительной выработки была пробурена скважина длиной 6м, которая пересекла зоны угля с разными прочностными свойствами. На участках, сложенных менее прочным углем, УЭС увеличивается в 1,5+- 2 раза по сравнению с участками, где уголь более прочный. На рис. 3.4 это зоны (2,5+4,2)м, (4,2+-5,2)м . Интерес представляет то, что в этих зонах угольного пласта, потенциал естественного геополя уменьшается в (2,5+-3)раза. ркОм.м ф MB ЗО
На рисунке 3.5 представлены результаты экспериментальных исследований по пласту IY шахты „Чертинская" [1]. Измерения были проведены в трех скважинах рис 3.5(a), пробуренных из конвейерного штрека по углю по нормали к сместителю.Схема участка наблюдения представлена на рис. 3.5,а
Изменение значений тока по скважинам №1(6), №2(в), №3(в). Мощность пласта составляла 1,4м, угол падения 10 , крепление конвейерного штрека - деревянные рамы, площадь сечения 6 м . Данные о нарушении получены из геологического описания. Измерение УЭС массива осуществлялось с помощью медных неполяризующихся электродов . Устье скважины №1 находилось на расстоянии порядка 8 метров от нарушения. По мере приближения к нарушению ( отметка 4,5 метра) на рис 3.5,6 УЭС массива начинает скачкообразно изменяться , т.е. в данном случае вблизи нарушения находится уголь с резко изменяющимися прочностными свойствами и высокой трещиноватостью. Аналогичные результаты получены также в скважинах №2 и №3 (рис. 3.5,в).
Таким образом, удельное эффективное сопротивление (УЭС) массива в нарушенных зонах увеличивается в 3- 5 раз по сравнению с ненарушенными зонами.
Также было изучено распределение потенциала естественного геоэлектрического поля в зоне влияния нарушения. В качестве примера на рис.3.6. представлены результаты измерения в подготовительной выработке по плату Коксовому шахты „ Анжерская".
Оценка ударо- и выбросоопасности увлажненных зон угольных пластов
Диссертация является научной квалификационной работой, в которой содержатся научно обоснованные технические и технологические решения по безопасности при отработке ударо —и выбросоопасных угольных пластов в зонах влияния передовых выработок и разрывных нарушений очистным механизированным комплексом, что имеет существенное значение для промышленной безопасности при подземной разработке п ел езных ископаемых.
Основные научные результаты, выводы и рекомендации сводятся к следующему:
Анализ нарушенности угольных пластов показал, что 27% от общего числа тектонических разрывов представляют сложность для перехода их механизированным комплексом. На угольных шахтах Кузбасса достаточно часто встречаются разрывы с вертикальной амплитудой смещения более 1 Ом. С глубиной нарушенность шахтных полей возрастает.Большая часть газодинамических явлений в Кузбассе приурочена к тектоническим нарушениям.
В результате решения теоретической задачи установлено, что величина напряжений в массиве зависит от длины консоли пород основной кровли.
Разработан полуэмпирический способ определения протяженности зоны опорного давления для пологого угольного пласта, а также расстояния до максимума опорного давления. Модель также позволяет рассчитать величину напряжений впереди очистного забоя в зависимости от глубины, вынимаемой мощности пласта и модуля сдвига. Это позволяет уточнить безопасные параметры ведения горных работ при подходе очистного забоя к передовой выработке или тектоническому нарушению.
Натурные исследования напряженного состояния массива показали, что деформации угля и пород в зоне сопряжения вентиляционного штрека с диагональной печью начинают возрастать на расстоянии 25- 30м от очистного забоя, деформации массива в диагональной печи существенно меньше, чем в районе вентиляционного штрека.
Произведена оценка удароопасности на различных участках лавы, примыкающих штреков и передовых выработок методами ДЭМП и ДЭМЗ, а также спектральным сейсмо-акустическим методами в совокупности с методом выхода буровой мелочи при поинтервальном бурении шпуров. Произведенные исследования показали, что с помощью данных методов можно контролировать безопасность ведения горных работ.
В зонах влияния разрывного нарушения крепость вмещающих пород уменьшается в 2+2,5 раза, крепость угля уменьшается в 3+3,5.
В зонах влияния тектонического нарушения потенциал естественного геоэлектрического поля снижается в 2+4раза, а удельное эффективное сопротивление увеличивается в 3+5раз по сравнению с ненарушенными участками.
Безопасное расстояние от очистного забоя до тектонического нарушения может быть уточнено путем более точного определения протяженности зоны опорного давления и влияния тектонического разрыва.
Разработана методика оценки эффективности увлажнения угольных пластов, которая включает определение границ увлажненных зон по переходу потенциала геоэлектрического поля через ноль в сторону отрицательных значений и установление величины влажности массива на этих участках путем измерения УЭСи сопоставления его с тарировочной зависимостью W=f(p 3,i,).
Установлено, что при увеличении давления нагнетания воды в пласт в режиме гидрорыхления до 1,4 уН прорастают магистральные трещины, направленные в сторону забоя, поэтому время нагнетания при таком давлении не должно превышать 5 мин. В дальнейшем давление в гидросистеме необходимо снизить до (0,5-;-0,7)уН, что способствует движению воды по мелким поровым каналам, включению механизмов самодвижения воды и, в конечном итоге, позволяет закачать расчетное количество воды в пласт.
Разработана методика установления критических значений влажности угольного пласта для разграничения отдельных его участков на опасные и неопасные по внезапным выбросам угля и газа и горным ударам. Для этого использован структурный показатель ВНИМИ, учитывающий соотношение сорбционного и фильтрующего поровых объемов.
Разработана номограмма для разграничения участков угольного пласта на опасные и неопасные по внезапным выбросам угля и газа, включающая измерение начальной скорости газоотдачи с каждого интервала и влажности угля.
Разработана методика оценки удароопасности участков угольного пласта по соотношению текущих значений влажности с критической. Текущие значения влажности определяются экспресс-методом, а критические значения влажности - по формуле (4.13).
Разработана методика перехода передовых выработок очистным механизированным комплексом, заключающаяся в предварительном извлечении металлокрепи и заложении выработки углепластом с физико-механическими свойствами, подобными нетронутому массиву.
Разработан способ перехода дизъюнктивных нарушений очистным механизированным комплексом, который включает предварительную проходку нескольких подготовительных выработок, укрепление пород непосредственной кровли путем иньектирования их смолами, заполнение выработок углепластом. Количество выработок определяется соотношением протяженности зон влияния нарушения и ширины выработки.
Исследование физико-механических свойств углепласта показали, что для получения свойств углепласта, близких к свойствам нетронутого массива, концентрация цемента в углепласте должно составлять порядка 40%
