Понятие о выбросе

 

 

Внезапным выбросом угля и газа называют явление, при кото- ром из угольного забоя в течение весьма короткого времени в горную выработку выделяется значительное количество газа с одновременным выбросом разрыхленного угля.

В результате выброса в угольном массиве образуются полости различных размеров в зависимости от количества выброшенного угля.

На рисунке 22.1 показаны характерные для крутого и пологого падении полости.

 

 

 

44,0

 

6,0

 

13,0

 

 

Рисунок 22.1 – Формы полостей в массиве

 

Внезапные выбросы происходят в рабочих забоях очистных и подготовительных выработок, а также при пересечении пластов квер- шлагами. На крутых пластах выбросы обычно направлены сверху вниз, реже по простиранию и весьма редко снизу вверх. На пологих пластах выбросы большей частью происходят по простиранию.

Обычно выбросам предшествуют предупредительные признаки: треск, удары в массиве, осыпание угля, отскакивание кусочков угля от забоя, изменение мощности пласта, крепости угля, скорости газовыде- ления.

Виды внезапных выбросов: выбросы угля и газа; внезапные вы- давливания в забое масс угля с усиленным газовыделением; внезапные высыпания угля с усиленным газовыделением.

Первый внезапный выброс угля и газа произошел в 1906 г. в Донбассе. Сейчас газодинамические явления наблюдаются в Кузбассе и в Караганде, в Воркутинском и Норильском месторождениях, в ме- сторождениях острова Сахалин и др.

Внезапный выброс – это грозное газодинамическое явление, представляющее большую опасность для жизни горняков и ведущее к большим материальным затратам.

Самый крупный выброс произошел на шахте им. Гагарина в 1969г. При вскрытии пласта l3было выброшено 14000 т угля и 250000 м3метана. Средняя сила внезапных выбросов на пологих пластах (в ла- вах) за период 1953–76гг. составила 48,1 т.

В Донецко-Макеевском районе отрабатывается примерно поло- вина всех опасных пластов пологих, а в Центральном районе Донбасса 70% пластов являются выбросопасными.

Выбросы происходят в: штреках и просеках – 25%; гезенках – 7%;

 

yклонах, бремсбергах, печах – 7%;квершлагах – 2%; очистных выработ- ках – 50%.

Какой же главный, определяющий фактор, измерив который, можно предсказать выброс? Такого фактора не выявлено, несмотря на большие исследования проведенные МакНИИ и ИГД им. А.А. Ско- чинского и др. институтами. Ниже приведен анализ горно- геологических факторов, которые следует анализировать при опреде- лении степени опасности угольных пластов по внезапным выбросам угля и газа.

1. Выбросы происходят в весьма широком диапазоне газоносно- сти пластов от 6 м3/т и выше.

2. Выброс становится невозможным при давлении газа менее 0,3-1,0 МПа. Впервые давление газа измерено в 1903 г. на шахте № 7–8 им. Калинина: в З м впереди забоя лавы оно составило 13,4 МПа.

3. Безопасная глубина менее 150 м. С увеличением глубины опасность увеличивается, хотя по статистике количество выбросов уменьшается, что можно объяснить лучшим использованием средств борьбы с выбросами.

4. Примерно 1/2 выбросов приурочена к местам геологических нарушений, а вторая половина вне них.

5. Зональность выбросов. Выбросы происходят неравномерно по площади. Обычно происходит от 2 до 10 выбросов в небольшой зоне. Зоны прослеживаются и на нижележащих горизонтах; размеры зон – десятки, сотни и даже тысячи метров. С точки зрения образова- ния угленосной толщи выбросоопасные зоны – это своего рода газо- вые ловушки.

6. Влияние мощности пласта. Выделено только, что в условиях

 

Донбасса при глубине разработки более 300 м пласт мощностью более 1,5 м опасен по выбросам. Анализом установлено, что средняя мощ- ность опасных пластов в 1,5 раза выше, чем у неопасных.

7. У опасных пластов сложная структура бывает чаще, чем у не- опасных. Большинство выбросопасных пластов состоят из 3 и более пачек.

8. Сильная нарушенность, перемятость пачек угля обуславли- вают низкую газопроницаемость и создают благоприятнее условия для развязывания внезапного выброса.

 

22.2 Механизм внезапного выброса

 

 

При внезапном выбросе происходит дробление угольного мас- сива, вынос угля, выделение газа. Этот процесс протекает неодинаково не только в условиях различных пластов, но даже на одном и том же пласте. Особенности протекания выбросов изучены МакНИИ в шахт- ных условиях. Использованы электродинамические датчики, пробона- борники воздуха.

Например, на пласте к3внезапный выброс протекал так: подго- товительный период – 8 с; вынос угля – 1,6 с; перерыв – 6,1с; вынос угля – 2,5 с.

Таким образом, выброс – одноциклический или многоцикличе- ский процесс, длительностью несколько секунд или первые десятки секунд. Важно знать ответы на два вопроса:

1. Что является первопричиной выброса (что развязывает вы- брос?).

2. Каков механизм протекания выброса (что является движущей

 

силой, почему затухает выброс)?

Предложено много гипотез. Рассмотрим наиболее распростра- ненную энергетическую гипотезу, идеи которой предложены еще ака- демиком А.А. Скочинским, получившую широкое признание и разви- тую В.В. Ходотом в конце 50-х годов, и в настоящее время разрабо- танную до уровня теории.

Боковые породы опасных пластов имеют повышенные, нерав- номерно распределенные напряжения. Неравномерность распределе- ния напряжений может быть создана в результате тектонических про- цессов, а в отдельных случаях технологией выемки угля (оставление целиков угля, зависание кровли и т.д.). Когда отсутствует резкое отли- чие в напряжениях окружающих пород при одинаковых технологиче- ских процессах в забое выработки, боковые породы после каждого цикла сближаются на одну и ту же величину, вследствие чего в глуби- не массива угля, как правило, наблюдаются характерные зоны: отжи- ма, сжатия, нетронутого массива (рис. 22.2).

При неравномерном распределении напряжений в глубине мас- сива проведение выработки сопровождается неравномерным сближе- нием боковых пород, деформации их имеют различную амплитуду и знак; при этом наблюдается уменьшение или "задержка" смещений пород, чем создается их неустойчивое равновесие. Задержка сближе- ния боковых пород, обычно предшествующая выбросу, характеризует- ся значительно уменьшенными размерами зоны отжима и в большин- стве случаев отсутствием зоны сжатия (кривая эпюр напряжений 2 на рисунке 22.2). При этом наблюдается как бы стабилизация давления газа на незначительном расстоянии от забоя.

 

 

2

 

 

зона повышенных напряжений

 

зона отжима

 

 

Рисунок 22.2 – Распределение опорного давления впереди лавы

 

 

Нарушение неустойчивого равновесия боковых пород перед вы- бросом механическим воздействием на забой вызывает резкое их сближение и распрямление. После выброса, как правило, снова про- слеживаются три зоны, причем зоны отжима и сжатия с несколько большими размерами.

Сближение боковых пород (удар) и последующее затем измене- ние давления газа в пласте дают основание полагать, что первопричи- ной внезапного выброса является разрядка напряженного состояния боковых пород. Процесс выброса, как и деформации боковых пород, носит импульсивный характер.

Протекание уже начавшегося выброса можно уяснить из теоре- тических работ Боброва И.В., Никольского А.А., Христиановича Г.А. Перепад давления в некотором слое угля у обнаженной поверхности, образовавшейся при разрушении части массива, может оторвать этот слой. При этом снова обнажается насыщенная газом поверхность и процесс повторяется. Математической абстракцией этого скачкообраз-

 

ного процесса является непрерывная волна дробления, которая пере- мешается в глубь массива и дополнительно дробит уголь перепадом давления, поддерживающимся на ее фронте. Отрыв слоя происходит в том случае, если у обнаженной поверхности угля в какой-то момент времени образовалось распределение давления, при котором в этом слое (толщиной несколько мм) предел прочности на растяжение будет меньше действующих напряжений.

Оторвавшаяся часть угля дробится и давление в угольном мас- сиве быстро падает до давления, равного за волной дробления. При этом уголь и газ под влиянием перепада давления приобретает некото- рую скорость. Если считать отрывающийся слой бесконечно тонким и заменить прерывный процесс беспрерывным, то можно принять, что волна дробления – это волна, на фронте которой происходит скачко- образное изменение давления и других параметров газа.

При разрушении слоя угля в сторону массива будет направлена волна дробления и совпадающая с ней волна понижения давления, а в сторону выработки – питающаяся за счет волны понижения давления волна выброса, несущая уголь и газ.

Процесс дробления протекает до тех пор, пока имеется доста- точно большой перепад давления, который постепенно уменьшается. Этому может способствовать газовыделение из выбрасываемой уголь- ной мелочи или отставание угля от газа и постепенное накопление его в полости выброса.

Уменьшение перепада давления ограничивает разрушение при- легающего к обнаженной поверхности слоя до размеров, необходимых для выделения заключенного в нем газа. Перепад давления при этом перемешается в следующий слой, который также подвергается частич-

 

ному разрушению. Процесс частичного разрушения угля распростра- няется в глубь массива, оставляя за собой увеличивающийся слой на- рушенного, но оставшегося на месте угля. По аналогии с волной дроб- ления такой процесс можно назвать волной фильтрации, на фронте которой изменение давления газа достаточно только для раскрытия трещин, через которые газ фильтруется.

Волной фильтрации можно объяснить ряд существенных осо- бенностей внезапных выбросов: естественное затухание выбросов; вытянутую вверх форму полости при выбросах на крутых пластах; наличие вокруг полостей дренированной зоны и др.

Процесс разрушения и выноса угля соединяет в себе особенно- сти волны дробления и волны фильтрации. Наиболее близкой по сво- ему характеру к волне дробления является первая стадия выброса сни- зу, когда уголь выбрасывается из нижней части забоя вверх против действия сил тяжести. Прообразом волны фильтрации является проис- ходящий на пологих пластах выброс одного газа, при котором уголь разрушается, но остается на месте.

 

Лекция 23