CC BY
107
© B.C. Зыков, И.Л. Абрамов, Д.В. Торгунаков, 2013
УЛК 622.831
В.С. Зыков, И. Л. Абрамов, Д. В. Торгунаков
СТАТИСТИКА ДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В ШАХТАХ И УТОЧНЕНИЕ ИХ КЛАССИФИКАЦИИ
Приведены количество и хронология отдельных видов динамических явлений в угольных шахтах России. Обоснована целесообразность использования в научных и практических целях двух классификаций - «динамические явления» и «газодинамические явления». Выполнено распределение всех динамических явлений по классам в зависимости от факторов, определяющих их возникновение и протекание.
Ключевые слова: динамическое явление, газодинамическое явление, внезапный выброс угля и газа, горный удар, классификация динамических явлений в угольных шахтах.
При осуществлении подземной разработки угольных пластов имеет место серьезная проблема, оказывающая большое влияние на уровень безопасности ведения горных работ. Эта проблема заключается в необходимости постоянного применения действенных профилактических мер по предупреждению динамических явлений в шахтах. Для обеспечения эффективности данных мер необходима в каждом конкретном случае их доскональная проработка в зависимости от горногеологических условий и технологии ведения горных работ на основе множества нормативно-методических документов. Это тем более сложно, что в шахтах происходит множество видов динамических явлений и разработанные мероприятия по их предупреждению должны соответствовать конкретному виду или видам динамической опасности, которая может проявиться в конкретной ситуации.
В табл. 1 приведены имеющиеся статистические сведения о трех видах наиболее часто происходящих на шахтах динамических явлений: внезапных выбросах угля и газа, внезапных выдавливаниях угля с повышенным газовыделением и внезапных обрушениях угля с повышенным газовыделением.
Таблица 1
Количество и хронология динамических явлений в угольных шахтах России
№ п/п Угольный бассейн или угленосный район Кол-во динамических явлений в шахтах, в т. ч. Всего по бассейнам
внезапных выбросов внезапных выдавливаний внезапных обрушений
1. Кузнецкий бассейн 195 ВТ. Ч.: 1943-1972 гг. - 146 1973-1985 гг. - 9 1975-1985 гг. - 10 1986-2006 гг. - 30 13 (1986-2006) 16 (1986-2006) 224
2. Печорский бассейн 275 (1950-2006 гг.) 275
3. Восточный Донбасс 225, в том числе: до 2006 г. - 126 до 2002 г. -99 49 7 281
4. Егоршинско-Каменский район 214 (1944-1966 гг.) 214
5. Приморский бассейн 23 (1947-1972 гг.) 23
6. О. Сахалин 1 1
7. Талнахский 1 1
Итого: 934 62 23 1019
Наиболее полными следует считать сведения о внезапных выбросах угля и газа. Работники шахт знают, что утаивание этих явлений чревато серьезными последствиями. Если не будут своевременно приняты серьезные меры по их предупреждению, то это может привести к катастрофическим их проявлениям.
Внезапные выбросы угля и газа представляют самую большую опасность среди других динамических явлений. Особенно опасно их проявление на мощных и очень газоносных пластах Кузнецкого бассейна, когда при внезапном разрушении массива освобождается газ в огромных объемах и распространяется по горным выработкам, что может привести и не однажды приводило к катастрофам. В Кузбассе, как правило, удельное газовыделение при выбросах (на 1 т выброшенного угля) значительно больше, чем в Донбассе, при том, что на глубоких шахтах Донбасса количество происходящих внезапных выбросов угля и газа в разы превосходит число данных газодинамических явлений на шахтах Кузбасса.
Что касается двух других показанных в табл. 1 видов динамических явлений в шахтах, то они, как правило, регистрировались в случаях, когда при их проявлении создавалась серьезная опасность в шахтах.
Однако достаточно полно регистрировались горные удары, сравнимые по опасности с внезапными выбросами.
Горные удары начали происходить в России начиная с 1944 г. на шахтах Кизеловского бассейна. Их количество достигало здесь 70 ударов в год. Общее число горных ударов на шахтах бассейна составило 438. Позднее данные явления проявились в Кузбассе, Донбассе, Печорском и Приморском бассейнах. Всего на шахтах России произошло более 600 горных ударов.
В то же время для оценки степени актуальности проблемы необходима полная регистрация всех видов явлений, поскольку увеличение сходных с внезапными выбросами угля и газа и горными ударами, но более слабых явлений говорит о повышении потенциальной опасности шахт по динамическим явлениям.
Для более правильной регистрации динамических явлений они должны быть точно классифицированы. Нами проанализированы существующие классификации явлений и даны предложения по их усовершенствованию [1, 2].
В терминологическом словаре «Горное дело» [3] говорится, что динамическое явление - это «внезапно возникающее и протекающее с высокой скоростью движение угля, пород, газов или жидкостей вблизи выработок, сопровождающееся сильным динамическим эффектом. Л. я. являются результатом проявления горного давления и движения заключенных в породах газов и жидкостей. К Л. я. относятся горные удары, внезапные выбросы угля и газа, внезапные выбросы породы и газа, прорывы газа, воды, плывунов, внезапные обрушения, высыпания и отжим, стреляние пород».
Применяется также термин «геодинамические явления в шахтах», которые определены согласно [4] как результат обмена энергией в блочном массиве горных пород, деформирующемся (разрушающемся) в условиях существующего или возникающего предельно напряженного состояния. При этом отмечается, что он объединяет группу динамических и газодинамических явлений, физическая природа которых основана на хрупком разрушении угольных пластов и боковых пород силами горного и газового давления в процессе ведения горных работ, а также выбросы газа в горную выработку.
Таким образом, отличие указанной в [4] группы «геодинамические явления» от группы «динамические явления» состоит лишь в том, что она не включает прорывы воды, плывунов, глины и пульпы. Но данные явления вполне подходят под приведенное выше определение «геодинамические явления».
Поэтому логично из двух терминов, обозначающих описываемые явления, выбрать какой-либо один термин. Нами предлагается использовать термин «динамические явления в шахтах», поскольку его расшифровка в терминологическом словаре [3] объединяет все рассматриваемые в настоящей работе виды явлений.
Существует международная классификация «Геодинамические явления в шахтах», разработанная рабочей группой по углю Европейской экономической комиссии ООН при активном участии российских ученых. Эта классификация представлена в энциклопедии [4]. Ланная классификация включает 4 класса явлений:
1. Горные удары, обусловленные энергией напряженных угля и пород: горные удары, толчки, выдавливания угля, стреляния, горные удары с разрушением вмещающих пород.
2. Выбросы газа, обусловленные энергией газа: суфляры, выбросы (прорывы) газа, в том числе из зон тектонических нарушений.
3. Выбросы угля (породы) и газа, обусловленные энергией напряженных угля и пород и газа: выбросы угля и газа, выбросы породы и газа; выбросы с разрушением вмещающих пород; обрушения, высыпания угля с газовыделением.
4. Горно-тектонические явления, обусловленные энергией напряженных угля и пород и газа и энергией сейсмических волн: сотрясения (толчки) в массиве, горно-тектонические удары, горно-тектонические выбросы.
В соответствии с вышеизложенным предлагается классификацию назвать «Динамические явления в шахтах».
При введении единого названия для всех видов рассматриваемых явлений в пользу термина «динамические явления в шахтах» говорит и то, что он был выбран и основоположником энергетической теории внезапных выбросов угля и газа Ходо-том В. В. еще в 1961 г. [6]. В указанной работе он определяет «динамическое явление в каменноугольной шахте» как «внезапное сдвижение или выброс угля или породы и заключенных в них жидкостей и газов, протекающие со значительным силовым (динамическим) эффектом».
Эта формулировка понятия «динамическое явление» отличается универсальностью и предельной точностью и, на наш взгляд, должно оставаться в основе классификации явлений.
В международную классификацию следует внести и еще некоторые изменения. Так, например, происходящие на шахтах России динамические явления не совсем укладываются в данную классификацию. Например, в класс горные удары включены выдавливания угля. Они имеют место при хрупком разрушении вблизи кромки пласта, которые можно назвать слабыми горными ударами. После них не отмечается таких масштабных последствий, как при мощных явлениях, называемых горными ударами. Отсутствует выраженная полость в разрушенном массиве, нет отброса угля в виде крупных глыб и кусков от массива. Выдвижение угля происходит без видимого разрушения. Предупредительные признаки перед данным явлением отсутствуют. Они происходят на тех же пластах, что и горные удары, то есть сложенных крепким одно-
родным углем, с боковыми породами высокой прочности, в зонах повышенного горного давления, сформировавшихся вследствие влияния оставленных на данном или соседних пластах целиков угля или влияния близко расположенных геологических нарушений разрывного типа.
В то же время в классификации не указаны геодинамические явления, называемые внезапными выдавливаниями или отжимами угля с повышенным газовыделением. Согласно современным представлениям, их природа точно такая же, как и у внезапных выбросов угля и газа. Однако, недостаток потенциальной энергии, обусловленной газовым фактором, при внезапных выдавливаниях не позволяет реализовать все стадии протекания явления. Явление затормаживается на второй стадии, представляющей собой смещение слоя угля в выработку вблизи плоскости обнажения в окрестности забоя под действием активной силы, обусловленной силами газового давления на стенки пор и трещин при резких изменениях напряженно-деформированного состояния призабойной части пласта вследствие выемки угля в забое или исчерпания несущей способности прочного участка угля в форме хрупкого разрушения, или динамической нагрузки на пласт со стороны вмещающих пород (рис. 1).
Они отличаются от выдавливаний угля, отнесенных к классу «горные удары», следующим. В процессе данных явлений выделяется большое количество свободного газа с высокой интенсивностью газовыделения, поскольку они происходят на высокогазоносных пластах под воздействием сил давления свободного газа. По характеру газовыделение бывает близким к газовыделению при внезапном выбросе. В выработке создается опасная метановаяатмосфера. Часто между кровлей и пластом образуется щель, заполненная тонко-измельченным углем. Иногда образуется в массиве полость глубиной меньше ширины. Явления происходят при наличии слабого тектонически нарушенного угля в угольном пласте. Им предшествуют предупредительные признаки.
В соответствии с представленной международной классификацией эти явления должны быть отнесены к классу выбросы угля (породы) и газа», в связи с чем необходимо внести в
б
Рис. 1. Эскиз внезапного выдавливания (отжима) угля с повышенным газовыделением в сбойке с путевого уклона № 2 по пласту XXVII шахты «Первомайская» (Кузбасс): а - до выдавливания; б - после выдавливания
а
нее соответствующую поправку. Чтобы их не путать с выдавливаниями из класса «горные удары», предлагается использовать для них второе их название - «отжимы угля с повышенным газовыделением».
Кроме названных выше терминов, в настоящее время используется еще термин «газодинамические явления в шахтах». Согласно [3] они расшифровываются следующим образом: «Газодинамические явления - разрушения массива горных пород под влиянием горного давления, сопровождающиеся кратковременным выделением газа (метана, углекислого газа). В случае внезапного выброса угля и газа движущей силой может явиться упругая энергия газа». Такая формулировка практически уравнивает газодинамические явления с названными в международной классификации геодинамическими явлениями,
поскольку любое разрушение газоносных угольных пластов, а тем более динамическое явление приводит к высокому газовыделению из угольных пластов.
И действительно, в действующих «Методических указаниях по классификации газодинамических явлений на угольных шахтах» [5] к газодинамическим отнесены следующие явления: суфляры; внезапные прорывы газа из зоны геологического нарушения; внезапные разрушения пород почвы с выносом метана и угля; внезапные выбросы угля и газа; внезапные выбросы породы и газа; внезапные обрушения (высыпания) угля с повышенным газовыделением; внезапные выдавливания (отжимы) угля с повышенным газовыделением; горные удары; толчки; стреляния; горно-тектонические удары; горные удары с разрушением пород почвы (кровли) выработки.
Мы видим, что классификация «газодинамических явления в шахтах», если не принимать во внимание незначительные отличия в названиях одних и тех же явлений, практически повторяет международную классификацию «геодинамические явления в шахтах». Создается впечатление, что нет необходимости в существовании отдельной классификации газодинамических явлений.
Однако это не так. В этой связи следует вспомнить классификацию динамических явлений, предложенную Ходотом В. В. [6]. В отличие от современного подхода, им в общем перечне динамических явлений были выделены, кроме первой категории - явлений, происходящих в результате совместного проявления давления горных пород и заключенного в угле газа (внезапных выбросов угля и газа), еще вторая категория - явления, возбужаемые только давлением горных пород (горные удары, внезапные обрушения, воздушные удары, внезапные высыпания, внезапные отжимы, раздавливания угля, стреляния угля и горных пород) и третья категория - явления, возбуждаемые давлением газов, жидкостей или плывучих пород (прорывы газа через горные породы, суфляры, прорывы воды, плывунов, заи-ловочной массы (пульпы) и глины.
Из определения первой категории следует, что она представляет собой названную выше категорию «газодинамические явления». Ходот В. В. вполне точно и логично определяет их как явления, происходящие в результате совместного проявления горного давления и заключенного в угле газа. То есть усло-
вием отнесения динамических явлений к газодинамическим является участие газа совместно с горным давлением в разрушении угольного массива, а не пассивное его выделение из предварительно разрушенного другими силами угля.
Строго следуя сделанному определению, Ходот В. В. отнес к первой категории динамических явлений, т. е. к газодинамическим явлениям, лишь один их вид - внезапные выбросы угля и газа. Это было совершенно обоснованно на то время, поскольку механизм некоторых других явлений, которые могут быть отнесены к этой же категории, был тогда еще неясен.
Но и сейчас первыми в данной категории должны быть названы эти же явления, поскольку в их развязывании и протекания гармонично сочетаются как горное давление, так и работа газа. Согласно [6], главным и необходимым условием возбуждения внезапного выброса является выполнение неравенства
Ж + Э > ^ + и, (1)
где W- потенциальная энергия угля; Э - кинетическая энергия горных пород; Р - работа, необходимая для смещения угля в сторону забоя; и - работа, необходимая для разрушения угля при внезапном выбросе. При этом потенциальная энергия угля включает и энергию заключенного в угле газа, которая в процессе явления перейдет в кинетическую энергию. Таким образом, газ является важным фактором в условии развязывания внезапного выброса уже в его подготовительной стадии.
На первой, подготовительной стадии внезапного выброса идет насыщение массива «газодинамической энергией» за счет того, что увеличиваются активные силы в растущих в зоне влияния призабойной части выработки квазипараллельных плоскостям обнажения системах трещин [7]. Соответственно, в каждой системе трещин возрастает отношение активной силы, стремящейся сдвинуть слой угля между трещинами и плоскостью забоя, к препятствующей этому пассивной силе.
На второй стадии внезапного выброса угля и газа газовый фактор играет важнейшую роль. Особенно это отличает выбросы, произошедшие на шахтах Кузбасса. В среднем мощности разрабатываемых угольных пластов в Лонбассе существенно ниже, чем в Кузбассе. Поэтому область влияния выработок на напряженно-деформированное состояние пласта имеет обычно значительно меньшую величину, и при этом максимум
концентрации напряжений приближен к забою. При выемке угля в забое, особенно если применяется взрывной способ отбойки угля, кромка забоя переходит из зоны низких напряжений в зону высоких напряжений и происходит хрупкое разрушение находящегося в непосредственной близости от забоя слоя угля, препятствующего началу второй стадии внезапного выброса.
В Кузбассе в связи с большей мощностью пластов области влияния выработок имеют больший размер и большее удаление зоны концентрации напряжений от забоя. При перемещении плоскости обнажения в процессе выемки угля расстояние до зоны концентрации напряжений остается еще значительным. Однако в этом случае большего развития достигают системы квазипараллельных плоскости забоя трещин, и активных сил внезапного выброса бывает достаточно для осуществления второй стадии явления - разрушения слоя угля между наиболее активной системой трещин и плоскостью обнажения даже без предварительного хрупкого разрушения его под влиянием высоких напряжений. Условие этого разрушения на каком-либо расстоянии х от забоя вглубь массива в упрощенном виде может быть записано в следующем виде:
Fax = РхS A ±Yхх Sina ^ х
Fx nx}rndx
0
где Fax - активная сила внезапного выброса; F™ -сила, препятствующая развитию выброса; Рх - избыточное давление газа; Sx - площадь поперечного сечения потенциально выбросо-опасной угольной пачки; Пх - периметр пачки; Xx - просвет-
ность угольной пачки в плоскости, параллельной забою; Тп -касательные напряжения по периметру П пачки; у- плотность угля в пачке; а - угол наклона выработки к горизонту.
Указанным обстоятельством, по-видимому, объясняется тот факт, что хорошо зарекомендовавший себя на шахтах Донбасса метод текущего прогноза выбросоопасности по амлитудно-частотным характеристикам (АЧХ) массива не прижился в Кузбассе. Отрицательные результаты его испытаний, заключающиеся в том, что он не показывал приближения горной выра-
ботки к опасной зоне, были получены и в Карагандинском бассейне, условия ведения горных работ в котором близки к условиям Южного Кузбасса.
Переходу забоя горной выработки из невыбросоопасной зоны в выбросоопасную зону всегда предшествует определенный интервал, где постепенно показатели выбросоопасности массива достигают критических значений. В том числе на шахтах Донбасса в соответствии с указанной их особенностью усиливается акустическая эмиссия, зависящая от интенсивности хрупкого разрушения массива вблизи обнажения при выемке угля в забое, что отражается в показателе выбросоопасно-сти, основанном на регистрации АЧХ. Поэтому показатель достаточно достоверно показывает приближение забоя к выбросоопасной зоне. В Кузнецком и Карагандинском бассейне, где выброс начинается не с хрупкого разрушения угля, а с выноса газом прилежащей к забою потерявшей упругие свойства при прохождении через протяженную зону опорного давления его массы, значимого эффекта повышения акустической эмиссии при подходе забоя к выбросо-опасной зоне не наблюдается.
Как уже отмечалось выше, если внезапный выброс угля и газа останавливается на второй стадии, то он относится к внезапным отжимам угля с повышенным газовыделением.
Если же энергии угольного массива достаточно для перехода явления в третью стадию, то на этой стадии газ играет самую важную роль. Вблизи новой возникшей на второй стадии явления поверхности обнажения интенсивно образуются новые квазипараллельные ей системы трещин и в них сразу же создается высокое давление газа за счет быстрого притока десорби-руемого из массива газа. В трещинах возникают высокие активные силы за счет давления газа на стенки трещин. Этими силами разрушаются и выбрасываются в пространство выработки перемычки между плоскостью обнажения массива и трещинами.
Выброшенные слои угля вследствие неустойчивой их формы распадаются на отдельные блоки и куски. И здесь же стартует следующая, четвертая, стадия явления. Она представляет собой дальнейшее разрушение блоков и кусков угля, содержащих внутри газ под высоким давлением, до мелких фракций и даже тонкоизмельченной пыли («бешеной муки») вследствие их
попадания в атмосферу горной выработки с низким давлением. Таким образом, на этой стадии также важнейшую роль в продолжении процесса явления играет газ.
В пятой, предпоследней стадии внезапного выброса, предшествующей стадии торможения явления, газ продолжает играть важнейшую роль. За счет энергии его перемещения из полости внезапного выброса в горную выработку образующаяся при динамическом разрушении угля газоугольная смесь разносится по выработке.
Из изложенного наглядно видна определяющая роль газа в рассмотренном явлении. Работа газа хорошо прослеживается при рассмотрении особенностей разрушения угольного массива при внезапном выбросе угля и газа. Это, в первую очередь, образование уходящей из призабойной части выработки вглубь массива специфичной полости, суженной в непосредственной близости к забою, расширяющейся вглубь массива и уменьшающейся в поперечнике при приближении к ее удаленной границе (рис. 2).
Вторым характерным и обязательным признаком внезапного выброса является наличие выброшенного газом в горную выработку угля, расположенного под углом меньше угла естественного откоса. Так, после показанного на рис. 1 выброса уголь располагался, начиная с удаления 2,5 м от забоя, под углом, близким к 0°.
Сверху на выброшенном угле и креплении горной выработки часто присутствует слой тонкоизмельченной угольной пыли - «бешеной муки», которая образуется на четвертой стадии явления при дроблении кусков угля газом на мелкие фракции.
Несмотря на такое активное участи газа во внезапном выбросе, очень важной остается роль горного давления, особенно на подготовительной стадии явления, а также в процессах формирования квазипараллельных забою систем трещин и послойного отделения угля от массива.
Примерно такую же роль, как при внезапном выбросе угля и газа, газ играет и в возбуждении и протекании процесса внезапного выброса породы и газа, но при объяснении рядом исследователей механизма данного явления большее значение
Рис. 2. Эскиз внезапного выброса угля н газа в конвейерном штреке 1121-С по пласту Мощному шахты «Комсомольская» (Воркутин-ское месторождение)
придается влиянию перепада напряжений в процессе выемки породы, осуществляемой, как правило, взрывным способом, на развязывание данного явления.
Как следует из вышеизложенного, газовый фактор является одним из определяющих и при возникновении внезапных отжимов угля с повышенным газовыделением. Это хорошо видно из приведенной выше формулы (2).
Несомненно, к газодинамическим явлениям относятся внезапные выбросы газа с разрушением вмещающих пород (рис. 3). Они представляют собой быстропротекающие разрушения пород почвы или кровли выработки, сопровождающиеся динамическим эффектом и интенсивным выделением газа, порой с углем, водой. Образуются зияющие трещины, ориентированные под некоторым углом к напластованиию пород и, как правило, вдоль линии очистного забоя и продольной оси подготовительной выработки.
Рис. 3. Схема развязывания внезапного выброса газа с разрушением вмещающих пород: а - образование газонаполненных полостей разгрузки; б - положение трещин прорыва;1, 2 - разрабатываемый пласт и пласты-спутники; 3, 4 - забой лавы и монтажная камера; 5, 6, 7 - зоны статического, опорного давления и разгрузки; 8 - газонаполненные полости-коллекторы; 9 - трещины прорыва
Поднимаются породы почвы, резко повышается выделение газа в горную выработку, возможны повреждения крепи и оборудования.
Прорывы газа происходят на значительных глубинах ведения горных работ, как правило, более 300 м при наличие ниже- или вышележащих газоносных пластов на расстояниях не более 100 м при их подработке и 60 м при надработке [8,
9].
Данные явления являются результатом сопутствующего отрицательного эффекта под- и надработки выбросоопасных
зон угольных пластов. За счет упругого восстановления ранее сжатого угольного пласта его газопроницаемость и газоотдача значительно возрастают, и создаются условия для накопления больших объемов свободного метана под давлением в щелевых полостях-коллекторах в виде трещин расслоения по контакту угольного пласта с породами междупластья или внутри пласта между пачками тектонически нарушенного и прочного угля.
Согласно [10], условием расслоения массива в надработан-ной толще является:
°1р < Р^у - 0,25к1 - ^к , (3)
где а1р - предел прочности пород на одноосное растяжение перпендикулярно напластованию; р,- - давление газа в пласте; ву - удельная площадь поперечного сечения пор наиболее пористой из двух контактирующих поверхностей; - расстояние от почвы выработки до рассматриваемого контакта двух поверхностей расслоения; X - угол падения пласта; ак - предел прочности крепи на 1 м2 рабочего пространства очистного забоя (для подготовительных, капитальных выработок и камер ак = 0).
Опасные газопроявления происходят в период движения очистного забоя под- и над выбросоопасной зоной. Они реализуются, как только появляются каналы (трещины) прорыва - сообщающиеся газонаполненные полости-коллекторы с выработанным пространством разрабатываемого пласта.
Таким образом, возникновение и протекание этих явлений определяется энергией свободного газа, заключенного в расслоениях между пачками соседних пластов и пропластков, и участием горного давления в формировании трещин расслоения пластов (пропластков) угля и горных пород.
При проведении расследований динамических явлений на шахтах выделяется еще один их вид - внезапные выбросы газа из тектонически нарушенной угольной пачки за контуром выработки, которые также следует считать газодинамическими явлениями. Они имеют механизм, схожий с механизмом выбросов из вмещающих пород, однако происходят в специфичных условиях - на мощных пластах при проведении выработки у кровли пласта и наличии в почве пласта за пределами сечения выработки пачки тектонически нарушенного угля. В данном случае разрушаются не вмещающие породы, а слой прочного
угля между выработкой и находящейся в нижней части пласта пачкой с нарушенной структурой. Не исключено, что такие явления могут произойти и из нарушенной пачки, расположенной за ее контуром со стороны кровли выработки.
Нами перечислены явления, которые могут быть отнесены к первой категории согласно рассмотренной выше классификации В. В. Ходота или к категории под названием «газодинамические явления».
В международной классификации данной категории соответствует класс явлений под названием «выбросы угля, пород и газа».
Однако в этом классе отсутствует последнее из перечисленных выше газодинамических явлений, которое нужно к ней присовокупить.
В то же время из данного класса следует исключить обрушения и высыпания угля с газовыделением (рис. 4). Эти явления происходят и на не газоносных пластах. Условие их развязывания в общей форме, согласно [11], можно записать в следующем виде:
где у - объемный вес массива горных пород; в - угол направления перемещения горной массы в процессе обрушения или высыпания к горизонту; х - расстояние по указанному направлению от обнажения вглубь массива до поверхности отрыва обрушившейся горной массы от массива; предел прочности массива горных пород на растяжение на поверхности отрыва.
Из условия (4) видно, что газ активного участия в возникновении явления не принимает. Возможность обрушения (высыпания) определяется гравитационными силами, прочностной характеристикой массива и углом в. Поэтому, по-нашему мнению, оно необоснованно отнесено в международной классификации к классу «выбросы угля, пород и газа».
Ходотом В.В. они тоже не отнесены к первой категории, соответствующей газодинамическим явлениям. Внезапные обрушения и высыпания определены им во вторую категорию, т. е. причислены к явлениям, возбуждаемым только давлением горных пород. Учитывая, что давление горных пород родственно связано с гравитационными силами, наше мнение об исключении этих явлений из числа газодинамических, т. е. из
(4)
класса «внезапные выбросы угля, породы и газа», совпадает с его представлением о них.
Но здесь встает вопрос о том, куда все-таки поместить внезапные обрушения и высыпания угля с повышенным газовыделением. Предлагается поместить их в класс «горные удары» и назвать этот класс «горные удары и обрушения (высыпания).
После обрушения (высыпания) с повышенным газовыделением в массиве горных пород или угля образуется полость куполообразной формы, а обрушившаяся (высыпавшаяся) масса располагается в виде конуса под углом естественного откоса к горизонтальной плоскости (рис. 4), что подтверждает отсутствие работы газа по разрушению массива и отбросу разрушенной массы.
Если быть совсем точными, то следует отметить, что в обрушениях (высыпаниях) определенное участие газа при обрушении (высыпании) угля из газоносного угольного пласта имеет место. Когда под действием гравитационных сил в нависающей части угольного массива начинает увеличиваться зияние трещин, то в эти трещины десорбирует газ, и в них за счет газового давления на стенки трещин создается активная сила, помогающая отрыву нависающей угольной массы от массива, но ее работы не хватает даже на то, чтобы несколько отбросить газ от полости в массиве. При необходимости отразить участие газа в условии развязывания явления потребуется постановка специальной задачи, требующей теоретических и экспериментальных исследований.
Существует отдельный вид обрушений пород основной кровли в очистных забоях. Эти обрушения представляют собой обрушения основной кровли после выхода очистного забоя из зоны ее первичного обрушения. Эти явления не описываются формулой (4), т. к. представляют собой обрушения зависшей консоли в точке ее защемления между вышележащими породами и угольным пластом вблизи забоя выработки. При этом на участках с труднообрушае-мой кровлей фактический шаг ее посадки может сильно отличаться от расчетного, вследствие чего момент ее посадки становится неожиданным. Принципиально неожиданной может быть и первичная посадка кровли.
3,72 м
I il
Рис. 4. Эскиз внезапного высыпания угля с повышенным газовыделением
При зависании кровли на значительной протяженности по ходу подвигания очистного забоя создаются негативные последствия двух видов.
Первое - это то, что повышается удароопасность забоя вследствие повышения концентрации напряжений в области влияния выработки на горный массив. При этом на глубинах от поверхности около 500 м начинают происходить не прогнозируемые горные удары и выдавливания, причиной которых, с нашей точки зрения, является неожиданная пригрузка на прилежащую к забою кромку угля из-за обрушений на консоль основной кровли блоков вышележащей породы. Примером могут быть такие явления в лаве № 33 по пласту XXVII шахта «Первомайская» [12]. Их неожиданное проявление привело к снижению в разы производительности лавы. Только разработка и применение специальных мероприятий с привлечением научных сил региона, постоянный их анализ и корректировка по результатам анализа протокольными решениями технических советов, проводимых с участием представителей научных организаций, и создание при компании специальной лаборатории по контролю за эффективностью мероприятий позволило повысить производительность очистного забоя до приемлемого с экономической точки зрения уровня.
Вторым негативным последствием является обрушение зависшей на значительной площади кровли, которое может привести и иногда приводило к резкому выхлопу газа из загазиро-ванного отработанного пространства в очистной забой и сопряженные с ним выработки и повышению концентрации метана до уровня выше допустимого предела. Такие явления, несомненно, необходимо относить к динамическим. Предлагается назвать его «обрушения основной кровли в очистном забое с выбросом газа». Данные явления могут сбивать нормальное проветривание горных выработок и приводить к серьезным авариям. Необходимо осуществлять прогнозирование данных явлений и применение мероприятий по предупреждению их последствий.
Обрушения основной кровли в очистном забое с выбросом газа следует включить в международную классификацию динамических явлений в класс «горные удары и обрушения (высыпания).
Таблица 2
Динамические явления в угольных шахтах
I. Класс «Выбросы газа»_
1. Суфляр - высокое стабильное выделение газа из видимых пустот и трещин_
2. Внезапныш прорыт газа из зоны геологического нарушения -
интенсивное кратковременное выделение большого объема газа из прилежащей к тектоническому нарушению зоны угольного пласта_
II. Класс «Горные удары и обрушения (высыпания)»_
3. Горный удар - мгновенное хрупкое разрушение целика или краевой части угольного массива с отбросом угля в выработку и попутным выделением газа_
4. Внезапное выдавливание - быстропротекающий процесс отторжения угля от массива под действием горного давления из призабойной части пласта в выработку_
5. Стреляние - хрупкое разрушение и отскакивание кусков угля (породы) на обнажениях напряженных участков горного массива, сопровождаемое резким звуком_
6. Горный удар с разрушением вмещающих пород - мгновенное хрупкое разрушение слоя породы или угля в почве (кровле) подготовительной выработки, сопровождающееся частичным или полным заполнением выработки разрушенной породой (углем), сотрясением массива, резким звуком и пылеобразованием_
7. Обрушения (выкытания) угля - разрушение под действием гравитационных сил нависающей призабойной части угольного массива, сопровождающееся на газоносных пластах загазированием выработки, часто сверх допустимой концентрации газа_
8. Обрушение кровли в очистном забое - происходящее с сильным динамическим эффектом периодическое обрушение основной, как правило, труднообрушаемой кровли, управляемой способом полного обрушения
III. Класс «Выбросы угля (породы) и газа»_
9. Внезапныш вы&рос угля и газа - быстропротекающий лавинообразный процесс разрушения угольного массива горным и газовым давлением и отброса тонкоизмельченного угля газом в выработку._
10. Внезапный вы&рос породы и газа - лавинообразный процесс разрушения породного массива с выносом и перемещением породы по выработке потоком выделяющегося газа_
11. Внезапныш отжим угля с повышенным газовыщелением - быстропротекающий процесс отжиа угля горным и газовым давлением из при-забойной части пласта в выработку_
12. Внезапныш выброс газа с разрушением вмещающих пород -прорыв газа в прилегающее к забою выработанное пространство из над-или подрабатываемого пласта через вмещающие породы_
13. Внезапныш вы&рос газа из угольной пачки за контуром выработки - прорыв газа в призабойное пространство выработки из тектонически нарушенной угольной пачки с разрушением слоя прочного угля между выработкой и этой пачкой_
IV. Класс «Горно-тектонические явления»_
14. Горно-тектонический удар - мгновенное хрупкое разрушение породы или угля в глубине массива с возникновением сейсмической волны с энергией 103-1010 Дж и более, вызывающей хрупкое разрушение краевой части массива или целика угля в форме горного удара._
15. Горно-тектонический выброс - мгновенное хрупкое разрушение породы (угля) в глубине массива с возникновением сейсмической волны с энергией от 103Дж и более, вызывающей хрупкое разрушение угольного пласта, переходящее во внезапный выброс угля и газа_
16. Сотрясение в массиве - ощущаемое вибрирование горного массива, вызванное толчкообразным его деформированием_
IV. Класс «Прорывы воды и водонасыщенных пород»_
17. Прорывы воды из водных объектов - неожиданное разрушение под действием веса воды предохранительного целика, отделяющего горные выработки от водного объекта, с прорывом воды в выработки_
18. Прорывы воды из затопленных выработок - неожиданное разрушение барьерного или предохранительного целика, отделяющего действующую выработку от затопленной, с прорывом воды в действующую выработку_
19. Прорывы плывунных пород - усиленное поступление в горную выработку рыхлых водонасыщенных пород, обладающих плывунными свойствами, происходящее в результате самопроизвольного или принудительного разрушения водоупорный пород в выработке_
20. Прорывы глины и пульпы - неожиданное разрушение под действием горного давления и гравитационных сил целиков, разделяющих заполненные глиной или пульпой пустоты, с прорывом глины или пульпы в горные выработки_
По-нашему мнению, не следует «толчки» представлять в двух классах классификации. Достаточно указать эти явления в классе «горные удары», а в классе «горно-тектонические явления ограничиться сотрясениями в массиве.
Чтобы гармонизировать в максимальной степени международную классификацию с той, которая предложена В. В. Хо-дотом, следует в нее добавить динамические явления, возбуждаемые давлением воды, плывунов пульпы и глины. Для этого следует добавить еще один класс явлений. Этот класс явлений может быть назван «прорывы воды и водонасыщенных пород».
В результате представленного анализа сформирована представленная в табл. 2 классификация «Динамические явления в шахтах».
Опыт многолетнего изучения происходящих динамических явлений в шахтах показал, что классификация может быть догматом. Так, в классификации динамических явлений Ходота В.
B. отсутствовали внезапные выбросы породы и газа, внезапные прорывы газа из нарушенных пачек угля за контуром выработки, стреляния, толчки, выдавливания угля с повышенным газовыделением, прорывы газа из зон тектонических нарушений, все виды горно-тектонических явлений, поскольку эти явления на то время не происходили или не были актуальны. Предложенная классификация может совершенствоваться по мере появления новых явлений и изменения представлений об уже включенных в классификацию явлениях.
Кроме того, существует проблема в том, чтобы однозначно определить вид динамического явления. Поэтому, во-первых, методики отнесения явлений к какому-либо их виду должны включать все возможные их отличительные признаки, позволяющие разграничить данные явления. Во-вторых, нами предлагается при расследовании явлений не только ориентироваться на последствия явлений, но и, при возникновении трудностей с определением типа явлений, исследовать свойства угольного массива в той точке, где произошло явление. Это позволит, используя современные представления о формировании, возникновения и протекания явлений, облегчить идентификацию явлений, а, значит, принять правильные решения по их предупреждении при дальнейшем ведении горных работ.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зыков B.C., Абрамов И.Л. Динамические явления в угольных шахтах и их классификация // Маркшейдерия и недропользование. - 2012. - □ 4. -
C. 56-60.
2. Совершенствование классификации динамических явлений в шахтах // Энергетическая безопасность России: Новые подходы к развитию угольной промышленности. Сборник трудов XIV Международной научно-практической конференции. - Кемерово: Кузбасская выставочная компания «Экспо-Сибирь, 2012. - С. 23-29.
3. Горное дело: Терминологический словарь. 4-е изд, перераб. и доп. / Г. Д. Ёидин, Ё. Д. Воронина, Д. Ф. Каплунов и др. — М.: Недра, 1990. -694 с.
4. Российская угольная энциклопедия. Т. 1 - М.-СПб: ВСЕГЕИ, 2004. -649 с.
5. Методические указания по классификации газодинамических явлений на угольных шахтах / А. И. Бобров, Ё. А. Вайнштейн, М. А. Ильяшов и др. / МакНИИ /; И. М.Петухов, В. П. Кузнецов / ВНИМИ /; И. В. Сергеев, О. И. Хмара / ИГД им. А. А. Скочинского /, В. И. Мурашев, В. С. Зыков / Вос-
тНИИ/; В. Е. Зайденварг, А. М. Обрезан /Минуглепром СССР /; В. Я. При-выко Госгортехнадзор РСФСР /; С. П. Ткачук / Укркомгосгортехнадзор УССР / - Донецк: ЦБНТИ Минуглепрома СССР, 1991. - 18 с.
6. Ходот В.В. Внезапные выбросы угля и газа. - М.: Госгортехиздат, 1961. - 363 с.
7. Зыков B.C. Внезапные выбросы угля и газа и другие газодинамические явления в шахтах. - Кемерово: Фирма ПОЛИГРАФ. - 334 с.
8. Исследование внезапных загазирований выемочных участков при прорывах и экстремальных выделениях метана из вмещающего углепородно-го массива: Отчет о НИР / ВостНИИ: Исп. В. С. Зыков, В. А. Рудаков, П. В. Потапов и др. - Кемерово, 1988. - 99 с.
9. Руководство по предупреждению внезапных загазирований выемочных участков при прорывах и экстремальных выделениях метана / В. С Зыков, Г. Г. Стекольщиков, В. Н. Пузырев и др. - Кемерово, 2000. - 36 с. -(НЦ ВостНИИ).
10. Малышев Ю.Н., Сагалович О.И., Лисуренко A.B. Техногенная геодинамика. Книга 1: Аналитический обзор. Актуальные проблемы. - М.: Недра, 1995. - 430 с.
11. Большинский М.И., Лысиков Б.А., Каплюхин A.A. Газодинамические явления в шахтах. - Севастополь: Вебер, 2003. - 284 с.
12. Научные проблемы борьбы с газодинамическими проявлениями в угольных шахтах Кузбасса // Маркшейдерия и недропользование. - □ 3. -2011. - С. 57-59. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Зыков Виктор Семенович - доктор технических наук, профессор, заместитель директора по научной работе Института угля СО РАН. Тел. 3842 452054. E-mail: [email protected]
Абрамов Игорь Леонидович - кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник Института угля СО РАН, тел. 3842 741510. E-mail: а[email protected]
Торгунаков Дмитрий Валерьевич - ведущий инженер лаборатории геодинамических явлений в шахтах ИУ СО РАН. Тел. (3842) 74-15-10. E-mail: [email protected]
