Геомеханическое обеспечение разработки пластов, опасных по газо- и геодинамическим явлениям Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

- © М.А. Иофис, A.B. Гришин, 2014

УДК 622.1:528

М.А. Иофис, А.В. Гришин

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАЗРАБОТКИ ПЛАСТОВ, ОПАСНЫХ ПО ГАЗО- И ГЕОДИНАМИЧЕСКИМ ЯВЛЕНИЯМ

Проанализирована авария, произошедшая на шахте «Распадская». Показана необходимость геомеханического обеспечения разработки пластов опасных по газо- и геодинамическим явлениям, а также управления этими процессами с целью не допущения возникновения аварийных ситуаций по схожему сценарию.

Ключевые слова: авария, метан, кровля, деформации, месторождения, прогноз, метод, оценка, контроль.

Возрастающие потребности в минеральном сырье и топливе, в условиях истощения запасов в благоприятных горно-геологических условиях, требуют вовлечения в добычу месторождений, залегающих на больших глубинах, в сложных и опасных условиях. В такой ситуации существенно возрастает роль геомеханического обеспечения этих месторождений, являющегося одним из основных составляющих общего процесса проектирования, которое, с одной стороны, заключается в анализе исходных данных и подготовке обосновывающих материалов для принятия основных инженерных решений по технологии добычи полезных ископаемых, с другой, — в самостоятельной разработке специальных разделов проекта или даже отдельных проектов.

Особого внимания требуют месторождения, опасные одновременно по газо- и геодинамическим явлениям. Положение усугубляется тем, что для повышения экономической эффективности освоения таких месторождений все чаще используют высокопроизводительную проходческую и добычную технику, как правило, иностранного производства. Применение такой техники при разработке газоносных угольных пластов на больших глубинах, вызывает новые, не характерные для ранее применявшихся схем разработки таких пластов процессы, которые можно характеризовать как одновременное проявление геомеханических, гео- и газодинамических явлений, способ-

36

ствуюших возникновению катастрофических аварийных ситуаций. Подтверждением этого может служить серия аварий, произошедшая за последние время в угольной отрасли как у нас в стране, так и за рубежом (шахты им. A.A. Скочинского и им. А.Ф. Засядько в Донбассе, шахты «Юбилейная», «Ульяновская» и «Распадская» в Кузбассе).

Наиболее характерной является авария, произошедшая в горных выработках шахты ОАО «Распадская» в ночь с 08 на 09 мая 2010 г., из-за неблагоприятного развития геомеханических, гео- и газодинамических процессов, механизм возникновения которой можно описать следуюшим образом:

В результате ведения очистных работ в верхней части выработанного пространства и в массиве горных пород над выработанным пространством скапливается большое количество метана, которое в штреках, камерах и других доступных для непосредственных наблюдений выработках не фиксируется, поскольку метан легче воздуха. При обрушении пород кровли (геомеханический процесс) происходит залповый выхлоп скопившегося газа в упомянутые выработки (газодинамический процесс), резко повышая в них содержание метана. Выхлоп газа сопровождается, как правило, мошной ударной волной (геодинамический процесс), которая может вызнавать разрушение и замыкание электросети, воспламенение и взрыв газа и угольной пыли, их возгорание. В дальнейшем облако раскаленной газоугольной смеси, подхваченное мошной воздушной волной, быстро распространится по всему шахтному полю. В процессе движения облака объем взрывчатых вешеств в нем будет возрастать за счет подсоса газа и пыли, скопившихся в старых, плохо проветриваемых выработках, чем и объясняется большая разрушительная сила второго взрыва. Основной причиной второго взрыва на шахте «Распадская», скорее всего, явилось разбавление содержания метана до взрывоопасной концентрации при подаче свежей струи воздуха в упомянутое облако. Известно, что метан взрывается при его концентрации в шахтной атмосфере 5-15% и горит при концентрации более 15%.

На основании изложенного можно сделать вывод о том, что основной технической причиной аварии явилось превышение объемов и концентрации метана, скопившегося в выработанном пространстве и в разрушенных породах над ним, а также ограниченные возможности вентиляции по разбавлению содержания метана в атмосфере шахты при обрушении кровли очистного пространства, до допусти-

37

мых пределов. Необходимо заметить и то, что, скорее всего, имели места быть и организационные причины, такие как неэффективное управление геомеханическими процессами, в частности основной и непосредственной кровлей пласта; недостаточная научная обоснованность принятых технических решений разработки месторождения в нестандартных условиях, отсутствие четкой нормативной базы, регламентирующей ведение горных работ в новых, более сложных условиях, недостаточный анализ и учет аварий в условиях, близких к «Распадской», которые были на шахтах «Ульяновская» и «Юбилейная», где ранее произошли аналогичные аварии, недостаточно квалифицированная экспертиза проектных решений и ряд других более мелких причин.

Причиной обрушения кровли, могли быть любые работы в лаве, в том числе работы по передвижке крепи, по устранению последствий вывалов непосредственной кровли и др.

Для предотвращения указанных негативных явлений, приводящих к возникновению аварийных ситуаций, необходимо управление геомеханическими, газо- и геодинамическими процессами, происходящими в массиве горных пород, производить во взаимной увязке, с учетом изложенных выше природы и механизма развития этих процессов.

38

Технология управления выше изложенными процессами заключается в установлении шага обрушения основной кровли для конкретных условий ведения очистных работ и не допущения неуправляемой посадки основной кровли. Для этого, при достижении критического пролета обнажения кровли, осуществляют принудительную ее посадку. При этом необходимо остановить очистные работы, перекрыть подачу электричества в район посадки основной кровли и вывести людей из призабойного пространства на безопасное расстояние. После чего дистанционно осуществить принудительную посадку основной кровли и после проветривания и снижения концентрации метано-воздушной смеси в призавбойном пространстве до допустимого уровня содержания в ней метана, можно продолжать добычные работы.

В настоящее время применяются следующие способы разупрочнения пород основной кровли: передовое торпедирование, гидро-микроторпедирование. взрывогидрообработка, два вида принудительного обрушения — взрывание скважинных и шпуровых зарядов.

Целью применения в очистных забоях этих способов является снижение или полная ликвидация тяжести проявления осадок основной кровли.

Сущность способа передового торпедирования — локальное ослабление прочных пород основной кровли впереди очистного забоя по длине или участку выемочного поля путем взрывания зарядов ВВ в длинных скважинах. Образующиеся в результате взрыва искусственные концентраторы напряжений в виде зон радиальных трещин и разрушенных контактов в плоскостях напластования по мере приближения очистного забоя к плоскости торпедирования и последующего ее перехода в изменяющемся силовом поле напряжений массива пород прорастают в магистральные трещины. Последние расчленяют массив пород основной кровли на блоки по высоте и напластованию.

В результате разупрочнения прочные труднообрушаемые породы основной кровли расчленяются на блоки меньших размеров. Это приводит к резкому снижению интенсивности и тяжести проявления первичных и вторичных осадок основной кровли, к уменьшению величины внешних активных нагрузок на крепь очистных забоев и разгрузке их краевых частей [1].

39

Гиаромикроторпедирование. Способ является комбинированным, сочетающим элементы передового торпедирования и гидрообработки. В скважинах взрывают небольшие заряды ВВ в оболочке специальной конструкции в водной среде под давлением с последующей гидрообработкой породного массива. Заряды ВВ располагают в местах залегания ослабленных контактов и прослоев. Перед взрыванием первого заряда в скважину нагнетают жидкость для заполнения пор и трещин. После первого в той же скважине в таком же режиме производятся последующие взрывания. В дальнейшем в скважину нагнетают жидкость в режиме гидрообработки.

Этими мероприятиями достигается разупрочнение массива за счет образования трещин расслоения и увлажнения пород, обрушаются в несколько стадий и не создают повышенных нагрузок на крепи очистных выработок.

Принудительное обрушение кровли взрыванием скважинных зарядов.

Сущность способа в следующем: при минимальной безопасной площади обнажения кровли взрыванием зарядов ВВ длинных скважинах, параллельных линии очистного забоя, пробуренных вблизи целика, осуществляется обрушение труднообрушаемых пород над выработанным пространством на высоту до 10 м. Кровля под действием взрыва разделяется на слои, затем они обрушаются при зависании, меньшем по сравнению с естественным шагом обрушения. Это исключает воздушные удары и формирование больших активных нагрузок на крепи.

Принудительное обрушение кровли взрыванием шпуровых зарядов. Основа способа — бурение шпуров в кровлю из призабойного пространства очистного забоя. Взрыванием шпуровых зарядов ослабляют непосредственную кровлю. Если труднообрушаемые породы залегают непосредственно над угольным пластом, то в результате ослабления происходит их принудительное обрушение без воздействия на очистной забой.

Если же труднообрушаемые породы залегают выше, вне досягаемости шпуровых зарядов, то производится рыхление непосредственной кровли на мощность, необходимую для подбутовки этих пород [1].

Сущность способа подработки — региональное ослабление труднообрушающихся пород кровли пласта посредством пред-

40

варительной выемки нижележащего пласта. Ослабление или разупрочнение происходит за счет разрушения межслоевых связей, а также образования или развития трещин в породах в процессе деформирования и перемещения подработанной толщи. Степень разупрочнения пород снижается с удалением от подрабатывающего пласта и с уменьшением его мощности. Площадь зоны разупрочнения в плоскости напластования сокращается по мере удаления от подрабатывающего пласта. Она определяется углами разупрочнения по простиранию, восстанию и падению пласта.

Для прогнозирования обрушения кровли пород в выработанное пространство и соответственно обеспечения безопасного ведения горных работ необходимо определить критериальные признаки, предшествующие потере устойчивости кровли. Так, по методу профессора В.Д. Слесарева трещины в наиболее опасном сечении появляются в условиях, когда растягивающие напряжения в нижнем волокне опасного сечения достигнут пределов прочности на разрыв [2]. Одним из недостатков метода В.Д. Слесарева является затрудненная реализация контроля состояния кровли выработанного пространства и управления этим состоянием на основании результатов инструментальных наблюдений. Для устранения этого недостатка в ИПКОН РАН, ранее было более подробно рассмотрено влияние изгиба слоистого массива горных пород на характер и величины его деформаций [3].

Установлена зависимость предельного пролета от наблюдаемых горизонтальных деформаций и прочностных свойств горных пород:

где Ь — мощность слоев кровли, м; е — горизонтальные деформации слоя толщи горных пород; Е — модуль упругости, МПа; ттах — максимальные касательные напряжения, МПа.

Используя установленную зависимость для общего случая и для случая с критическим значением горизонтальных деформаций, после некоторых преобразований получаем выражение для величины обнажения кровли выработки при измеренном значении горизонтальных деформаций ет в данный момент времени:

41

Данная методика позволяет прогнозировать развития состояния массива горных пород путем сравнения измеряемых величин деформаций с их критериальными значениями, которые близки к реальным условиям подработки.

Таким образом, осуществление своевременной посадки основной кровли по изложенному в статье алгоритму действий, направленное на снижение рисков возникновения одновременно геомеханических газо- и геодинамических явлений, позволяет предотвратить возникновение катастрофических явлений при разработке газоносных угольных пластов на больших глубинах залегания с использованием современной высокопроизводительной добычной и проходческой техники.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Воскобоев Ф.Н., Бучатский В.М., Гусельников Л.М. и др. Способы активного управления геомеханическим состоянием массива горных пород при подземной разработке угольных месторождений России. — СПб., 2003. — 398 с.

2. Певзнер М.Е., Иофис М.А., Попов В.Н. Геомеханика: Учебник для ВУЗов. — 2-е изд., стер. — М.: Издательство МГГУ, 2008. — 438 с.

3. Иофис М.А., Есина Е.Н. Особенности расчета сдвижений и деформаций земной поверхности при скважинной гидродобыче полезных ископаемых // Вестник Российского университета дружбы народов. Сер. инженерные исследования. — 2012. — № 3. — С. 18-23. Н233

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Иофис Михаил Абрамович — профессор, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник ИПКОН РАН, [email protected]

Гришин Александр Викторович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИПКОН РАН, [email protected]

42