Общие сведения
Известны различные проявления горного давления, но наиболее сильными и катастрофически являются горные удары. В мировой практике известны случаи, когда в результате горного удара выходили из строя не только отдельные участки, но и предприятия в целом. Так, горный удар, потрясший 24 мая 1940 г. шахту Крюгерсхаль вызвал обрушение на площади 600 тыс.м2. В 1957–63 гг. на рудниках Южной Африки произошло около 2 тыс горных ударов, каждый четвертый из которых был разрушительным. Но и при менее катастрофических по- следствиях горные удары нарушают нормальный режим работы пред- приятия, угрожают безопасности занятых в шахтах людей, удорожают добычу полезных ископаемых.
Горные удары известны с первой половины 18 века на рудниках по добыче олова в Англии. И уже многие десятилетия проблема гор- ных ударов во всей ее широте и сложности стоит перед горной наукой и практикой для ряда крупнейших угольных и рудных бассейнов и месторождений мира. В России горные удары впервые отмечены в 1944 г. на шахтах Кизеловского бассейна, затем были в Кузбассе, Дон- бассе, Сучанском, Воркутинском, Тквибульском и др. месторождениях и бассейнах.
В 1951г. в России начато систематические изучение природы горных ударов и мер борьбы с ними.
Горный удар – быстропротекающее разрушение целика или час- ти массива угля (породы); проявляющееся в виде выброса значитель- ного количества угля (породы) в подземные выработки с нарушение крепи, смещением машин, механизмов.
Кроме собственно горных ударов, охарактеризованных выше, выделяют явления: стреляние, толчки, микроудары.
Стреляние проявляется в виде отскакивания от сильно напря- женной стенки массива отдельных кусков угля.
Толчки (или горные удары внутреннего действия) проявляются в виде разрушения пласта в глубине массива. Внешне это проявляется звуком и сотрясением горного массива, но без выброса угля.
Микроудар – разрушение и незначительный выброс угля без на- рушения крепи, механизмов; характеризуется резким звуком, сотрясе- нием массива, образованием пыли.
Степень и характер проявления горных ударов определяется мощностью, строением, механическими свойствами угольного пласта, глубиной и условиями залегания, развитием очистных работ в близле- жащем районе.
На газовых угольных пластах проявление горных ударов может сопровождаться усиленным газовыделением, участием энергии газа в разрушении и, особенно, в выносе разрушенного угля, т.е. возможен переход горных ударов во внезапные выбросы угля (породы).
|
| в краевой части угольного массива | |
| в выработке, расположенной в массиве | |
| в выработке с разрушением кровли и почвы | |
| в породной выработке | |
| место удара не установлено | |
| Всего |
Наиболее опасными являются горные удары в средней части ла- вы. Более 90% ударов происходит непосредственно в период выемки угля в забое (при работе выемочных машин, механизмов, при взрыва- нии шпуров).
В обычных условиях на глубине до 1000 м при отсутствии влияния очистных работ горные удары не происходят. Происходят они при подходе к выработанному пространству, под или над границами влияния целиков, краевых частей массива.
В качестве примера горного удара приведем следующий, кото- рый произошел 12 мая 1963 г. на шахте им. Калинина в Кизеловском бассейне. Пласт 2 мощностью 1,9–2 м разрабатывается на глубине 220м; угол падения пласта 200; кровля и почва пласта представлены кварцевым песчаником мощностью до 60 м; выемка угля осуществля- лась с применением КМП–2. Целик угля шириной 18 м был разрушен в форме горного удара. На контакте с кровлей наблюдалось много мелкой угольной пыли, кровля не обрушилась. Сотрясение было заре- гистрировано сейсмической станцией, расположенной в 9 км. Врубо- вая машина была отброшена и расколота.
При разрушении целиков выброс угля происходит в сторону ох- раняемой выработки, сближение кровли и почвы невелико (несколько десятков мм), пласт разрушается и уголь почти полностью заполняет
выработку на протяжении 150–250 м. Горный удар сопровождается сильным пылеобразованием.
При глубине 800–1000 м появились горные удары типа разло- мов. Обычно под песчаником располагается слой аргиллита или угля мощностью до 4 м. Под влиянием горного давления аргиллит начинает выдавливаться в выработку, встречает на своем пути жесткую плиту песчаника, нарушает ее, выгибает в сторону выработки. Возможно разрушение песчаника мгновенно с мощным сотрясением и сильным звуком. При мощности песчаника менее половины ширины выработки наличие аргиллита не обязательно.
25.2 Природа и причины горных ударов
Очагами горных ударов являются места повышенных напряже- ний угля и боковых пород: целики, краевые части пласта, стенки гор- ных выработок.
На рисунке 25.1 приведены размеры зон опорного давления в зависимости от глубины разработки и мощности пласта.
Lоп, м
m=3,0м
40m=0,7м
0 200 400 600 800 1000
H, м
Рисунок 25.1– Зависимость ширины зоны опорного давления от глубины разработки и мощности пласта
Для решения практических вопросов важны не абсолютные размеры зоны опорного давления, а размеры той ее части, где появля- ются осложнения при проведении или эксплуатации очистных и под- готовительных выработок. Установлено, что целики угля, ширина ко- торых менее (0,3–0,4)Lоп могут полностью переходить в предельное состояние. Такой целик может разрушиться в форме удара или за счет пластических деформаций. Горный удар произойдет, если скорость изменения напряженного состояния станет больше максимально воз- можной скорости перехода в предельное состояние за счет пластиче- ского деформирования. На рисунке 25.2 показано распределение на- пряжений над целиком.
А В А
Рисунок 25.2 – Распределение напряжений в целике угля
В зонах А действуют упругие, а в зоне В пластические дефор- мации. Последовательно нарушается и восстанавливается равновесие между внутренним высоким давлением ядра и сопротивлением этому давлению периферийными частями целика за счет трения по контак- там и защемления пласта боковым породами. Когда внутреннее давле- ние превысит сопротивление крайних частей, происходит их подвиж- ка в сторону выработанного пространства до тех пор, пока не устано-
вится равновесие и циклы повторяются. Этим объясняется толчкооб- разность, звуковой эффект. В результате очередного преодоления сил трения защемления происходит толчкообразное выдавливание облас- тей А. На основе закона о соотношении сил трения движения и покоя (коэффициент трения движения меньше коэффициента трения покоя) области А выталкиваются несколько дальше, чем это необходимо для установления статического равновесия. Выталкивание приведет к рез- кому и мгновенному снижению бокового отпора в части или во всей области А, вследствие чего мгновенно возрастает величина скорости и создаются условия для хрупкого разрушения угля с переходом потен- циальной энергии упругого сжатия, запасенной пластом и боковыми породами, в кинетическую энергию, способствующую дальнейшему выталкиванию области А. Когда выталкивающих сил достаточно, об- ласть А будет двигаться непрерывно в условиях действия пониженно- го коэффициента трения. Движение и лавинообразный процесс в об- ласти В перерастает в горный удар.
В момент разрушения пласта угля в области В произойдет мгновенное расширение ранее сжатых боковых пород. Расширение проявляется как колебание по быстро убывающему закону и вызывает измельчение угля на контактах до пылеобразного состояния. Это уменьшает коэффициент трения и облегчает дальнейшее выдавлива- ние и разрушение пласта. Вследствие инерции пласт сдавливается больше, чем фактически сближаются боковые породы. Вследствие этого образуется щель между кровлей и пластом.
25.3 Прогноз и мероприятия для предотвращения горных ударов
Комплексный метод оценки степени удароопасности включает измерение сейсмоакустической активности, выхода буровой мелочи и ее крупности при бурении, шпуров, диаметров 41–43 мм, измерение усилия вдавливания пуансона в торец скважины, влажности, электро- проводности. На рисунке 25.3 показан график зависимости выхода буровой мелочи от степени удароопасности угольного массива. Нор- мальное выделение – 3 л/м.
Q, л/м
|
|
|
|
0 1 2 3 4 5
lш, м
Рисунок 25.3 – График для определения выхода буровой мелочи при бурении шпура по углю
I категория опасности – участок представляет повышенную опасность. До приведения в неопасное состояние выработку нельзя эксплуатировать.
II категория – участок опасный. Выработку надо привести в не- удароопасное состояние.
III участок не представляет непосредственной опасности. Выра-
ботка может использоваться без перевода в неудароопасное состояние.
IV – категория – участок не удароопасный.
Меры борьбы с горными ударами: снижение горного давления при опережающей отработке защитных пластов; ведение горных работ без целиков; сокращение проведения выработок впереди лав; сниже- ние прочности краевых частей целиков (нагнетание воды в пласт, ка- муфлетное взрывание); выкладка бутовых полос; оптимальные спосо- бы и средства выемки угля, параметры и режимы работ без встречных и догоняющих забоев.
Так, горный удар не произойдет при увлажнении угля до 9,5%, когда участок пласта будет деформироваться пластически или, если в скважине длиной до 8 м взорвать заряд ВВ массой 3 кг; можно также бурить скважины диаметром 300 мм через 1–2 м.
25.4 Управление состоянием массива горных пород для предотвращения самовозгорания угля
Рудничные пожары являются распространенной аварией в гор- ной промышленности. Ежегодно в Донбассе происходит более 100 пожаров. В нашем курсе рассмотрим эндогенные (внутренние) пожары происходящие от самовозгорания угля.
Самовозгорание угля – быстрое нарастание температуры угля в результате выделения тепла при окислении угля кислородом воздуха, приводящее в определенных условиях к горению.
На рисунок 25.4 показан график зависимости во времени нарас- тания температуры угля при окислении его кислородом.
t, C 350
n1 n2 n3 n4 n5
время
Рисунок 25.4 – График нарастания температуры угля:
n1 – период низкотемпературного окисления; n2 – период среднетемпературного окисления; n3 – самовозгорание;
n4 – горение;
n5 – затухание горения
Самовозгорание происходит при достижении критической тем- пературы (70–800С), после чего быстро наступает горение.
Время, необходимое для возникновения эндогенного пожара, называется инкубационным периодом.
Все угли поглощают кислород из воздуха при комнатной темпе- ратуре, но в разной степени и с разной скоростью. Необходимые усло- вия самовозгорания:
1) достаточная химическая активность угля;
2) приток воздуха к скоплению угля;
3) повышение температуры угля (накопление тепла).
Если хотя бы одно из условий не будет выполнено, самовозго- рание не произойдет.
Химическая активность угля определяется постоянной скоро- стью сорбции кислорода (мл/г. час.): для бурого угля 0,1–0,15; для ка- менного угля 0,02–0,06; для антрацита 0,01–0,02. Скорость сорбции кислорода уменьшается со временем по степенному закону и пропор- циональна его концентрации в среде; тем больше, чем меньше размер частиц угля и с увеличением температуры увеличивается.
Приток воздуха влияет двояко. При увеличении количества воз- духа доставляется больше кислорода, но и выделяется больше тепла, больше его выносится с увеличением скорости воздуха. При какой-то скорости уголь уже начинает охлаждаться.
Окисление материала происходит в объеме материала, а отдача тепла идет через внешнюю поверхность. Отсюда важна форма скопле- ния полезного ископаемого. Самовозгораются относительно большие скопления (раздавленные целики угля и др.). 3нание теплового баланса используется для предрасчета времени самовозгорания. Для прогноза самововозгорания угля используется статистический метод, в котором учитывается много горно-геологических и горнотехнических факто- ров: химическая активность угля; угол падения пласта; мощность пла- ста; залегание пласта и вмещающих пород; система разработки; способ подготовки; скорость ведения работ; схема проветривания; изоляция отработанного пространства.
Взаимодействие факторов сложно и теоретически почти невоз- можно предсказать, используется опыт работы, анализируются условия.
Склонность угля к самовозгоранию определяется путем измере- ния скорости поглощения кислорода воздуха при низких температурах.
Для этого навеску угля весом 30–80 г помещают в пробирку, закрыва- ют, а через опрёделенный промежуток времени анализируют состава газа и определяют убыль кислорода.
Согласно другому методу – по температуре возгорания. Уголь нагревают с установленной скоростью в струе кислорода и определяют температуру, при которой начинается самовозгорание угля.
Чем больше мощность пласта, угол его падения, тем больше ве- роятность самовозгорания угля. Наиболее опасными являются слоевые системы разработки, пластовая подготовка.
Мероприятия по предупреждению к локализации пожаров от самовозгоранию следующие:
1. Не оставлять полезное ископаемое в выработанном простран- стве (целики, потери угля на почве, в виде защитных пачек).
2. Предотвратить доступ воздуха к оставленным скоплениям угля (изоляция выработанного пространства).
3. Снижение химической активности угля.
4. Охлаждение нагретой массы.
5. Время отработки отдельных участков должно быть меньше, чем инкубационный период.
Снизить химическую активность угля можно путем блокировки поверхности пласта покрытиями или путем тампонажа пор в угле, об- работкой антипирогенами (хлористым кальцием, поваренной солью). При заиливании отработанных участков пульпа (Т:Ж I:5) подается по скважинам с поверхности или из выработок.
Лекция 26