Горные удары

Общие сведения

При подземной разработке месторождений полезных ископаемых могут происходить динамические формы проявления горного давления в виде внезапного разрушения участков массива пород, находящихся в сложном напряженно-деформированном состоянии. В практике горного дела все динамические явления называют горными ударами. Горные удары обладают значительной разрушительной силой и, как правило, носят характер крупных аварий, резко нарушающих нормальную деятельность предприятия.

При сильных горных ударах в подземных горных выработках отмечалось сотрясение земной поверхности на расстоянии нескольких сот километров от эпицентра динамического явления.

Проблема горных ударов остро ощущается в разных районах мира и при разработке угольных месторождений. Опасные по горным ударам пласты угля разрабатывают шахты бассейнов Рура в ФРГ, Фюво во Франции, Верхней Силезии в ПНР, Южного Стаффордшира в Англии, Кемберленда в США, Кладно в Чехии, а также ряд шахт Германии, Канады, Австрии и других стран.

В бывшем СССР первые горные удары проявились в Кизеловском угольном бассейне. Позднее они стали возникать на шахтах Шурабского и Кизилкийского месторождений, в Кузнецком, Донецком бассейнах, на Сучанском, Воркутинском, Ткибульском, Баренцбургском месторождениях, на месторождениях о-ва Сахалин и др.

Горный удар возникает внезапно, сопровождается резким звуком, сотрясением горного массива, образованием большого количества пыли и воздушной волной. На газоносных угольных пластах удар приводит к повышенному газовыделению, а на крутых пластах может вызвать обрушение или высыпание угля.

Горным ударом считается мгновенное хрупкое разрушение угольного (рудного) целика, краевой части пласта (массива) или боковых пород, находящихся в предельно напряженном состоянии, проявляющееся в виде отброса или выдавливания угля (породы) в горные выработки и приводящее к повреждению горной крепи, смещению машин, оборудования и нарушению технологического процесса.

Горный удар может произойти в случае, если скорость деформации, вызванная нарастанием удельного давления, превысит максимально возможную скорость пластического деформирования данной части пласта угля, находящейся в предельно напряженном состоянии.

Имея в виду, что хрупкое разрушение угля может быть вызвано не только возрастанием нагрузки, но и быстрым снятием бокового отпора, т.е., в конечном счете, разгрузкой какого-то элемента пласта, приведенную формулировку следует изложить в несколько более общем виде.

Таким образом, горный удар – это хрупкое разрушение угля в зоне предельно напряженного состояния краевой части пласта или целика, происходящее вследствие превышения скорости изменения напряженного состояния V_н над максимально возможной скоростью перехода пласта в предельное состояние за счет пластического деформирования в данном месте V_пл.

В связи с этим введено понятие о показателе хрупкости N, который отражает характер поведения угольного пласта в условиях сложного напряженного состояния

N = V_н / V_пл

При N < 1 хрупкое разрушение пласта исключается. Хрупкое разрушение, а следовательно, и проявление горного удара возможно лишь при N > 1.

Разрушительная сила горного удара определяется коэффициентом динамичности

К_д = W_п / W_у,

где W_п - величина притока внешней энергии, W_у - энергия необходимая для разрушения пород (угля) в очаге горного удара.

Динамическое явление происходит при К_д > 0.

Величина К_д изменяется от 0 до 10 и более. При этом высвобождение внешней энергии происходит толчкообразно и может быть реализовано по разной схеме, определен­ной преодолением прочности, сцепления, трения и их комбинацией.

Толчкообразное деформирование краевой части является общим как для пластов, опасных по горным ударам, так и для ряда неопасных пластов. Однако интенсивность и характер его проявления в большой мере зависят от степени удароопасности пласта, т. е., в конечном счете, от механических свойств пласта и условий его взаимодействия с боковыми породами, с одной стороны, и, с другой стороны, - от глубины разработки как фактора, влияющего на напряженность угля и пород. Такое неравномерное деформирование представляет собой последовательные нарушения и восстановления равновесия между внутренним высоким давлением ядра, находящегося в пластическом (или псевдопластическом) состоянии, и сопротивлением этому давлению периферийной части целика или края массива угля за счет трения по кон­тактам и защемления пласта боковыми породами. Если внутреннее давление превышает сопротивление периферийной части, происходит ее подвижка в сторону выработанного пространства до тех пока не установится равновесие.

Горный удар происходит в результате нарушения равновесия всей системы «боковые породы-уголь».

Классификация горных ударов

Для условий разработки российских месторождений в настоящее время используется два вида классификации горных ударов [5, 10]:

а) по интенсивности их проявления и вызываемым разрушениям пласта или пород, крепи, механизмов, оборудования и пр.;

б) по месту их проявления.

По интенсивности проявления горные удары подразделяют на собственно горные удары, микроудары, толчки, стреляния, горный удар с разрушением пород почвы (кровли) выработки и горно-тектонический удар.

Собственно горные удары происходят в целиках перед лавой, в том числе в краевой части целика (перед лавой), в выработках за фронтом горных работ с разрушением пород кровли или выдавливанием пород почвы.

Микроудар — осыпание угля (породы) в горные выработки без нарушения технологического процесса, сопровождаемое резким звуком, сотрясением горного массива, образованием пыли, а на газоносных пластах — газовыделением.

Толчок — разрушение пласта угля (породы) в глубине массива без отброса в горную выработку, сопровождающееся звуком, сотрясением массива, образованием пыли, а на газоносных пластах - газовыделением.

Стреляние - разрушение и отскакивание кусков угля (породы) на обнаженных участках массива, сопровождаемое резким звуком.

Горный удар с разрушением пород почвы (кровли) выработки - хрупкое разрушение слоя породы почвы (кровли) выработки в результате превышения предела прочности его в условиях изгиба со сжатием. Сопровождается заполнением выработки разрушенным материалом, повреждением механизмов и оборудования, сильным звуком, сотрясением и пылеобразованием, а на газоносных пластах - повышенным газовыделением.

Горно-тектонический удар вызывается воздействием энергии сейсмических волн от толчкообразного деформирования горного массива, в том числе техногенных землетрясений, и проявляется в виде горных ударов на нескольких участках шахтного поля или группы шахт. Горно-тектонический удар сопровождается сильными сотрясениями массива, резким звуком, образованием пыли и воздушными волнами.

Идентификация горных ударов по форме, силе и интенсивности проявления позволяет полнее осветить природу и механизм накопления и реализации энергии этого опасного явления, а также упорядочить учет горных ударов на шахтах.

Классификация по месту проявления.

Предусматривает шесть групп собственно горных ударов:

А) Группа I - в сплошных целиках;

Б) Группа II - в целиках, прорезанных выработками;

В) Группа III - в целиках, отделенных от массива выработками;

Г) Группа IV - в краевой части угольного пласта;

Д) Группа V - в выработке, проведенной в угольном массиве;

Ж) Группа VI - в выработках с разрушением почвы или кровли пласта.

Этот вид классификации позволяет судить об условиях нагружения угольного пласта или пород опорным давлением и установить зависимость разрушения пласта угля от конфигурации целиков и краевой части.

Доля потенциальной энергии упругого сжатия пород в балансе энергии горного удара изменяется от нескольких процентов при стреляниях, толчках, микроударах, а также при горных ударах V группы - до 30-50 % при горных ударах IV, III, а иногда и II группы, и до 80 % и более - при горных ударах I группы, а в случае одновременного разрушения целиков с обеих сторон выработки и при ударах II группы. Своеобразие проявления горных ударов разных групп приведен­ных классификаций может быть в значительной степени объяснено их энергетическими особенностями. Поэтому при оценке горных ударов рассматривается баланс энергии и особенности освобождения потенциальной энергии при реализации явления.

Энергетический баланс горного удара.

Потенциальная энергия упругих деформаций расходуется на многие физические и механические процессы, предшествующие и сопутствующие горному удару: на разрушение связей, на пластические деформации, на выброс разрушенного материала, на колебательные движения горных пород, на рассеивание в виде тепла и т.д.

Однако надо иметь в виду, что характер проявления энергии, заключенной в горных породах и в угольном пласте, в ходе протекания горного удара существенно различен.

Часть энергии деформаций, содержащейся в угольном пласте, расходуется на хрупкое разрушение угля. В массиве угля возникают при этом микро- и макротрещины, что сопровождается появлением микросейсмических волн. Значительная часть потенциальной энергии угольного пласта превращается в кинетическую и участвует в выбросе угля и разрушении крепи. Часть энергии переходит в тепло.

Существенно отличный характер имеет проявление упругой потенциальной энергии деформирования горных пород, окружающих угольный пласт. Эта энергия участвует в дополнительном разрушении пласта лишь тогда, когда он уже частично или полностью вышел из-под нагрузки в результате своего хрупкого разрушения. Под действием колебательного движения боковых пород угольный пласт разрушается и измельчается на контакте, а также разбрасывается в стороны. Значительная часть упругой энергии пород переходит в энергию сейсмических волн.

Рассматривая горный удар как лавинообразный процесс, развивающийся от начального микроразрушения до разрушения всего целика или значительной его части, можно предположить, что и высвобождение энер­гии упругого сжатия из горных пород будет происходить в условиях все возрастающих размеров очага. Возникающие при этом упругие сейсмические волны будут иметь различные кинематические и динамические параметры (частоту, длительность, длину волны и др.).

Горные удары в сплошных целиках отмечались на угольных шахтах в условиях, когда отрабатывались целики ограниченных размеров, с двух-четырех сторон которых находилось выработанное пространство.

Отличительные особенности ударов рассматриваемой группы:

- большая разрушительная сила, вызывающая дробление угля с образованием больших масс тончайшей пыли, располагающейся у контактов с боковыми породами;

- значительное сближение боковых пород в момент удара, измеряемое иногда десятками сантиметров;

- образование щели над частью или над всем целиком, подвергшимся горному удару;

- сотрясение массива горных пород, проявляющееся как землетрясение с силой в 3-5 баллов в районе до 5-10 км от места удара.

Большая сила проявления этих ударов обусловлена, во-первых, тем, что целики, будучи обжатыми и защемленными породами кровли и почвы, имеют повышенную сопротивляемость горному давлению и вследствие этого повышенный запас потенциальной энергии в ядре и в прилегающем к нему массиве горных пород и, во-вторых, тем, что к началу разрушения или в процессе его целик, как правило, полностью переходит в предельно напряженное состояние.

Наиболее сильные удары этой группы при прочих равных условиях возникают в целиках, окруженных выработанным пространством со всех сторон.

Горные удары в целиках, прорезанных выработками, весьма многочисленны. Основное разрушение целиков при таких ударах происходит в сторону охраняемых ими горных выработок почти при полном отсутствии выброса угля в сторону выработанного пространства. В данном случае разрушение краевой части пласта, начавшись у стенки горной выработки, распространяется в глубь целика до тех пор, пока выработка не будет на все (или почти все) сечение заполнена разрушенным и выброшенным углем. Дальнейшее развитие удара локализуется. Величина сближения боковых пород невелика и обычно не превышает нескольких сантиметров.

При ударах рассматриваемой группы также происходит сильное пылеобразование и сотрясение горных пород, особенно при крупных горных ударах, распространявшихся в отдельных случаях до 150-235 м вдоль выработки; образование щели, прослеживающейся в глубь массива около кровли пласта. Существенного нарушения боковых пород, как правило, не происходит.

Горные удары в целиках, отделенных от массива угля горными выработками, характеризуются тем, что разрушение пласта обычно не распро­страняется в массив угля, а локализуется в пределах целика. Причем разрушение и выброс угля с наибольшей силой происходят в направлении от выработанного пространства и сопровождаются, как правило, полным завалом выработки, отделяющей целик от массива угля. Наиболее многочис­ленны удары в целиках угля, возникающие при подходе очистных работ к передовым выработкам. В этом состоит главная опасность применения системы разработки длинными столбами по простиранию на пластах, подверженных горным ударам.

Горные удары в краевой части угольного массива чаще всего происходят при ведении очистных работ.

Наиболее опасными местами в лавах при нисходящем порядке отработки этажей при прочих равных условиях являются:

- средняя часть лавы, если работы ведутся с оставлением целиков угля в районе вентиляционного горизонта;

- верхняя часть лавы, если работы ведутся без целиков;

- нижняя или верхняя часть лавы, если имеются передовые штреки, проведенные по углю.

Свыше 90 % горных ударов рассматриваемой группы происходит непосредственно в период выемки угля в забое. Причем вероятность и сила проявления горных ударов в период внедрения в уголь тем больше, чем больше ширина захвата комбайна, канатной пилы или глубина и число одновременно взрываемых шпуров при буровзрывном способе выемки угля.

Горные удары в выработке, проведенной в угольном массиве, возникают лишь в наиболее сложных условиях нагружения, когда, например, выработка проводится на выработанное пространство, в районах, расположенных под или над границами влияния целиков или краевых частей массива угля соседних пластов и пр. Вместе с тем, практически во всех случаях проведение выработки сопровождается многочисленными проявлениями толчков и часто даже микроударов. Но поскольку они совпадают, как правило, с момен­том взрыва зарядов в шпурах, то эти толчки и микроудары не пред­ставляют опасности и подчас остаются незамеченными. В отдельных случаях горняками регистрируется лишь повышенная эффективность взрывных работ, при которой коэффици­ент полезного действия шпуров нередко становится больше единицы.

На шахтах Кузнецкого бассейна и Воркутского месторождения горные удары при проведении выработок по некоторым пластам осложняются повышенным газовыделением и даже перерастают во внезапные выбросы угля и газа.

Горные удары в выработках с разрушением боковых пород (динамические разломы), на шахтах Кизеловского бассейна, Воркутского и Сучанского месторождения появились при увели­чении глубины разработки до 700-1000 м. К таким ударам относятся вне­запные разломы боковых пород в выработках, проведенных по пласту угля. Во всех случаях горных ударов, связанных с разрушением прочной плиты песчаника толщиной до 2,5-3,5 м, плита эта подстилается слоем ме­нее прочных пород, представленных сланцами или пластом угля, общей мощностью около 3-4 м. При большой глубине разработки, в результате очень высокой напряженности массива горных пород в окрестности выра­ботки сланцы или пласт угля начинают выдавливаться в сторону выработ­ки и выгибают в ту же сторону, встречающуюся на их пути жесткую плиту песчаника. При определенной ширине выработки плита песчаника, нахо­дясь в сложном напряженном состоянии сжатия с изгибом, разрушается. Так как кварцевые песчаники могут накапливать в достаточно больших количествах энергию упругих деформаций и склонны к хрупкому разрушению, то разлом плиты происходит мгновенно, с сильным сотрясением окружающих пород и сильным звуковым эффектом. Установлено, что толщина слоя песчаника, который разрушался в форме горного удара, обычно составляла около половины ширины выработки. При толщине слоя песчаника значительно меньше половины ширины выработки создавались условия для его плавного изгиба в сторону выработки без накопления опасных напряжений.

Внешними признаками удароопасности пластов являются толчки, стреляния и микроудары при работе выемочных машин, при бурении и взрывании шпуров в очистных и подготовительных забоях. На рудных месторождениях к внешним признакам динамического проявления горного давления относятся интенсивное заколообразование и шелушение пород (руд) на контуре горных выработок. Интенсивность проявления признаков возрастает с увеличением глубины разработки, а также в процессе ведения горных работ на участках, испытывающих повышенное горное давление в следующих случаях:

- отработка оставленных целиков угля (руд);

- работа встречными и догоняющими забоями;

- работа на передовые выработки;

- проведение выработок в зонах влияния очистных забоев;

- работа под кромками угольного (рудного) массива или под целиками, оставленными на смежных пластах свиты, а также в зонах влияния геологических нарушений.

Прогноз удароопасности

Обнаружение участков, опасных по горным ударам, дает возможность своевременно приводить их в неудароопасное состояние. По степени опасности угольные пласты (участки горного массива), склонные к горным ударам разделяют на угрожаемые и опасные [5].

К угрожаемым относятся угольные пласты (боковые породы), склонные к хрупкому разрушению в условиях повышенных концентраций напряжений.

К опасным относятся пласты на тех этажах (ярусах) шахтного поля, в пределах которых происходили горные удары (микроудары) или удароопасность установлена прогнозом, и те же пласты на нижележащих этажах (ярусах) шахтного поля.

В угрожаемые, начиная с глубины 150 м, должны переводиться также те пласты, на которых при ведении горных работ появились толчки и стреляния в пределах данного шахтного поля или горные удары на соседнем шахтном поле.

На угрожаемых по горным ударам пластах с этих глубин должен производиться прогноз степени удароопасности. Ответственность за своевременное отнесение пластов к угрожаемым возлагается на технического руководителя — главного инженера шахты и технического руководителя организации.

В настоящее время применяются способы регионального и локального прогноза удароопасности пластов, участков массива горных пород и руд.

Региональный прогноз осуществляют в целях выявления геодинамически опасных зон с учетом:

-данных прочностных и деформационных характеристик пластов, всех разновидностей пород и руд;

-данных геологоразведочных работ на основе анализа кернового материала по интенсивности дискования керна;

-результатов наблюдений с использованием систем непрерывного автоматизированного контроля напряженного состояния и удароопасности массива горных пород;

-изменений величин (скоростей) деформаций и смещений, напряжений в массиве, определяемых инструментально;

-данных геодинамического районирования.

-данных геодинамического мониторинга с применением сейсмостанций.

Результаты регионального прогноза должны учитываться на стадии проектирования, планирования, ведения горных работ и уточняться в горных выработках локальными методами.

Локальный прогноз служит для определения удароопасности на конкретных участках пластов (пород и руд), примыкающих к горным выработкам. Прогноз удароопасности определяет состояние массива как опасное или неопасное. Категория ОПАСНО соответствует состоянию участка пласта, в пределах которого может произойти горный удар. На таком участке выработки должны быть приведены в неудароопасное состояние. Категория НЕОПАСНО соответствует неудароопасному состоянию и не требует проведения профилактических противоударных мероприятий. При этом сохраняется необходимость периодического прогноза удароопасности.

Категорию удароопасности участков угольных пластов определяют по изменению выхода буровой мелочи при бурении скважин диаметром 43 мм.

Локальный прогноз удароопасности участков массива горных пород на рудниках производится одним или несколькими методами:

-по дискованию керна при бурении скважин;

-по трещиноватости;

-по усилию вдавливания индентора в стенки скважин;

-геофизическими способами;

-по визуальным наблюдениям за разрушением выработок.

При вскрытии пластов, склонных к горным ударам, стволами прогноз удароопасности проводят с расстояния 10 м до пласта бурением прогнозных шпуров диаметром 43 мм.

В очистных забоях пластов, склонных к горным ударам, первое контрольное определение удароопасности производят непосредственно в разрезной печи и в прилегающих выработках перед началом очистных работ. В дальнейшем прогноз удароопасности осуществляют через интервалы, устанавливаемые техническим руководителем - главным инженером шахты с учетом шага посадки основной кровли, но не более чем через 25 м.

В подготовительных забоях первое определение удароопасности производят после вскрытия пласта или на участках засечки. В проводимых выработках вне зоны влияния очистных работ и ранее сформированных выработанных пространств интервалы между контрольными замерами должны быть не более 75 м.

В особо сложных условиях ведения горных работ прогноз удароопасности в очистных и подготовительных выработках должен производиться не менее чем через 2 м подвигания забоя.

Прогноз удароопасности участков угольного пласта, массива горных пород и руд может также осуществляться геофизическими экспресс-методами после экспериментального установления критериев удароопасности для конкретных условий ведения горных работ. На практике нашли применение методы прогноза электрозондированием, по сейсмической активности, по регистрации электромагнитной и акустической эмисcии, по эффективному электрическому сопротивлению с помощью приборов «Прогноз-М», «Ангел», СБ-32, СЭР-1 и «Зонд».

Порядок вскрытия, подготовки и отработки удароопасных пластов

До начала работ по вскрытию опасных пластов в свите на основе геодинамического районирования должны быть выявлены тектонические блоки и геометрические параметры геологических нарушений. Геодинамическое районирование выполняется организацией, имеющей соответствующую лицензию Ростехнадзора РФ.

Полученные по данным геодинамического районирования сведения о блочном строении шахтного поля, распределении естественного поля напряжений, расположении активных разломов, тектонически напряженных и разгруженных зон в массиве дают возможность разработать в каждом конкретном случае практические рекомендации по рациональному расположению основных горных выработок в пространственно-планировочных схемах вскрытия, подготовки и отработки шахтных полей (выемочных блоков).

Места заложения стволов следует выбирать таким образом, чтобы они не попадали в пределы зон влияния активных разломов, особенно на участки тектонически напряженных зон, заключенных между фрагментами прорастающих разломов. Расположение капитальных выработок и камер различного назначения следует предусматривать вне зон влияния крупных тектонических нарушений и за пределами выявленных геодинамическим районированием тектонически напряженных зон. Направление проведения протяженных горных выработок должно совпадать или быть близким с ориентацией действия максимальных напряжений в нетронутом массиве горных пород.

Выработки следует располагать таким образом, чтобы они как можно реже пересекали зоны разломов. При этом не рекомендуется располагать в этих зонах сопряжения горных выработок.

Пласты, склонные к горным ударам, должны вскрываться полевыми выработками или выработками, проводимыми в защищенных зонах после первоочередной разработки защитного пласта в свите.

Отработку удароопасных пластов выполняют с минимальным числом опережающих выработок. При поэтажной подготовке используют системы разработки лава - штрек с односторонней отработкой. При панельной подготовке шахтного поля применяют лавы по падению или восстанию (если впереди движущегося забоя лавы нет выработанного пространства) без оставления целиков.

В качестве способа управления кровлей рекомендуют полное или частичное обрушение и закладку. При зависании труднообрушаемой кровли необходимо применять принудительное ее обрушение. Очистной забой на пластах, склонных к горным ударам, должен быть прямолинейным. При струговой выемке пластов допускается криволинейная (вогнутая в сторону массива) форма очистных забоев.

В зонах геологических нарушении при подходе очистных или подготовительных выработок к нарушенной зоне с пониженной прочностью пород осуществляют меры предупреждения горных ударов.

На пластах, склонных к горным ударам, запрещается применение камерной и камерно-столбовой систем разработок.

При выемке пластов, склонных к горным ударам, должны применяться нисходящий порядок отработки этажей (ярусов) и минимальное количество передовых выработок. Восходящий порядок отработки, как исключение.

Запрещается отработка подэтажей (ярусов) одновременно в нисходящем и восходящем порядке.

Опережение одновременно отрабатываемых подэтажей (ярусов) при нисходящем порядке отработки не должно превышать 10 м при пологом, наклонном и крутонаклонном падении и 25 м — при крутом или должно быть не менее 2l (где l – ширина зоны опорного давления, определяемая по инструкции [5]). При раздельной отработке подэтажей (ярусов) их опережение не ограничивают.

При отработке мощных пологих (до 18°) газоносных удароопасных пластов, склонных к самовозгоранию угля, допускается восходящий порядок отработки ярусов в пределах панели, в том числе через выемочный столб, на основании рекомендации комиссии по горным ударам и утверждается техническим руководителем организации.

При разработке пластов, склонных к горным ударам, в условиях, при которых проведение и поддержание подготовительных выработок впереди очистных забоев затруднено и появляется необходимость неоднократного их перекрепления, следует переходить на системы разработки, не требующие проведения таких выработок. При отработке пластов с разделением на подэтажи или ярусы следует предусматривать поддержание штреков на границе с выработанным пространством.

На пластах, склонных к горным ударам, запрещается отработка этажей (ярусов) встречными и догоняющими забоями.

Отработка этажей (ярусов) допускается при расходящихся очистных забоях. В этом случае на опасных пластах до удаления забоев один от другого на длину, равную наклонной высоте этажа, следует предусматривать вывод людей из обеих лав на время взрывных работ в одной из них.

При проектировании новых шахт, разрабатывающих пласты, склонные к горным ударам, необходимо предусматривать системы разработки с подвиганием забоя по падению с применением механизированных комплексов, щитов и щитовых агрегатов без оставления целиков в выработанном пространстве.

Комиссия по горным ударам может рекомендовать применение системы разработки при мощности пластов до 3,5 м и углах падения до 18° с подвиганием очистного забоя по восстанию с последующей отработкой оставшегося целика шириной l на границе с выработанным пространством в направлении простирания пласта или при условии приведения целика в неудароопасное состояние.

При разработке замковых частей антиклинальных и синклинальных складок должны выполняться следующие требования:

-в симметричных складках с внутренними углами до 60° очистные работы необходимо вести одновременно, при этом допускается опережение одним крылом другого не более чем на 20 м;

-в острых асимметричных синклинальных складках опережение очистных работ в крутом крыле должно быть не более 20 м;

-в острых асимметричных антиклинальных складках опережение очистных работ в пологом крыле должно быть более 20 м.

Крылья антиклинальных и синклинальных складок с внутренними углами свыше 60° допускается отрабатывать независимо друг от друга.

На опасных и угрожаемых пластах при этажной подготовке с погашением бремсбергов (уклонов) следует применять односторонний порядок отработки бремсберговых (уклонных) полей.

Двухсторонний порядок отработки бремсберговых (уклонных) полей допускается при условии расположения панельных бремсбергов (уклонов) в породах почвы или по неопасному.

Подготовительные выработки на опасных пластах следует проводить вне зоны влияния опорного давления от очистных забоев буровзрывным способом или комбайном при дистанционном включении-выключении с расстояния не менее 15 м. При проявлении в забоях выработок микроударов и установлении категории ОПАСНО необходимо осуществлять опережающее приведение массива угля в неудароопасное состояние на ширину защитной зоны п (значение п определяется по инструкции [5]) в каждую сторону выработки и 0,7n + b впереди забоя (b — подвигание забоя между проведением локальных мероприятий).

На наклонных, крутонаклонных и крутых пластах ширина защитной зоны в нижней стенке горизонтальных выработок должна быть не менее 0,7п.

Наклонные подготовительные выработки на крутых пластах, склонных к горным ударам, следует проводить сверху вниз.

При сбойке выработок встречными забоями или подходе к существующей выработке следует остановить забой (забои) на расстоянии не менее 0,3l (где l- ширина зоны опорного давления, определяемая по инструкции [5]).

Целик между забоями при категории ОПАСНО должен быть приведен в неудароопасное состояние по всей площади с расстояния 0,2l. При категории НЕОПАСНО целик разрешается не приводить в неудароопасное состояние. В последнем случае прогноз удароопасности должен производиться не более чем через 3 м подвигания забоя.

Выработки, проводимые по кварцевым песчаникам или другим удароопасным породам на глубине более 800 м, запрещается сближать на расстояние меньше четырехкратной ширины выработки большего сечения.

Сбойку выработок следует производить под углом, близким к прямому.

На пластах, склонных к горным ударам, следует применять податливую металлическую арочную крепь со сплошной затяжкой и тщательной забутовкой закрепного пространства.

Допускается применение податливой анкерной крепи, если в выработках не ожидается увеличения удароопасности.

При необходимости перекрепления выработок впереди лавы работы должны быть закончены до подхода очистного забоя на расстояние ширины зоны опорного давления l.

При категории ОПАСНО участок угольного пласта, склонного к горным ударам, при вскрытии его стволами должен быть приведен в неудароопасное состояние по диаметру стволов на величину п.

В местах пересечения пластов, склонных к горным ударам, квершлагами вне защищенных зон рекомендуется возводить податливую металлическую кольцевую крепь с полной затяжкой и забутовкой боков и кровли выработок.

Сечение выработок по пластам, склонных к горным ударам, тип и параметры крепи следует рассчитывать так, чтобы в течение всего срока эксплуатации не потребовалось их перекрепления. В случаях необходимости перекрепления выработок эти работы следует производить на участках, расположенных не ближе 20 м один от другого.

Расстояние между пунктами перекрепления выработок и бурения разгрузочных скважин, если указанные операции выполняются одновременно, при категории ОПАСНО должно быть не менее l, а на участках НЕОПАСНО — 20 м.

Выработки, у которых ранее оставлены целики угля на опасных пластах, должны приводиться в неудароопасное состояние одним из следующих способов:

-приведением целиков по всей площади в неудароопасное состояние по обе стороны выработки при наличии категории ОПАСНО;

-подработкой или надработкой защитным пластом.

Безопасное ведение горных работ на пластах, подверженных горным ударам

При ведении горных работ на удароопасных месторождениях в качестве профилактических мер для борьбы с горными ударами выполняются мероприятия регионального или локального характера. Региональными мероприятиями снижают горное давление на больших площадях выемочных участков или блоков, а локальными мероприятиями устраняют удароопасность призабойной части пласта путем создания защитных зон;

К региональным профилактическим мерам относятся:

-опережающей отработки защитных пластов;

-региональное увлажнение пластов в свите;

-глубинное увлажнение пласта.

В качестве локальных применяются следующие меры борьбы с горными ударами:

- бурение разгрузочных скважин большого диаметра;

- нагнетание воды в режимах гидрорыхления или гидроотжима;

- камуфлетное взрывание;

- комбинированные способы борьбы с горными ударами (скважины большого диаметра с камуфлетным взрыванием, камуфлетное взрывание с нагнетанием воды).

Эффективность профилактических противоударных мероприятий контролируют методами локального прогноза удароопасности.

Опережающая отработка защитного пласта применяется при разработке свиты пластов, в которой в первую очередь производят выемку неопасного пласта. Если в свите все пласты, опасные по горным ударам, разработку начинают с пласта, обеспечивающего наибольшую эффективность защиты. Эффект защитного действия - временный. Возможно создание условий для восстановления горного давления. Решающими факторами являются время, прошедшее после отработки защитного пласта, и пространственное расположение горных пород. Границы защищенных зон рассчитывают в зависимости от глубины разработки и вынимаемой мощности защитного пласта, способа управления кровлей и угла падения, а также содержания песчаников в составе междупластья.

Отработку защитного пласта осуществляют без оставления целиков, так как они создают на подзащитных пластах зоны повышенного горного давления. В этих зонах предусматривают специальные мероприятия при выемке пласта.

Для региональной гидрообработки на опасные пласты бурят скважины диаметром 56-90 мм и после их герметизации нагнетают воду с максимальным давлением и расходом.

Глубинное увлажнение проводят при подготовке и отработке выемочных столбов и этажей (подэтажей) из подготовительных выработок вне зоны влияния очистных работ. При большой протяженности очистных забоев нагнетательные скважины могут быть заложены с вентиляционного и откаточного штреков. Скважины герметизируют гидрозатворами или цементируют на глубину не менее ширины защитной зоны n.

В тех случаях, когда применение опережающей отработки защитных пластов невозможно или неэффективно, снижение удароопасности выполняют путем создания защитной зоны локальными способами.

Защитную зону n создают посредством бурения разгрузочных скважин большого диаметра, разгрузочных щелей и полостей, камуфлетным взрыванием и нагнетания воды в пласт.

Расстояние между разгрузочными скважинами большого диаметра принимают в зависимости от категории удароопасности, мощности пласта и диаметра скважин. В подготовительных забоях и капитальных выработках скважины располагают как по направлению подвигания выработки, так и в ее боках. При очистных работах скважины бурят или из подготовительных выработок параллельно очистному забою, или со стороны очистного забоя.

Камуфлетное взрывание применяют в тех случаях, когда длина скважин не превышает 10 м. Зарядом ВВ заполняют не более половины длины скважин, остальную часть - забойкой. Расстояние между скважинами зависит от категории удароопасности, типа ВВ, вида забойки и составляет 0,8-1,5 м.

При гидрорыхлении схему расположения нагнетательных скважин принимают в зависимости от системы разработки, строения, мощности пласта и его отдельных пачек, свойств боковых пород.

Гидроотжим краевой части пласта применяют только в действующих очистных или подготовительных забоях при вынимаемой мощности пласта (слоя) не более 2-2,5 м.

Длину фильтрующей части шпура, как правило, принимают равной 0,3-0,5 м. При использовании нагнетательного оборудования, позволяющего поднять давление до 30-40 МПа, длину фильтрующей части скважины целесообразно увеличивать до 0,8-1,5 м.

После падения давления воды в системе до 5 МПа и ниже нагнетание прекращают; при большем остаточном давлении, но не менее чем в 2 раза по сравнению с давлением до гидроразрыва, подачу воды продолжают в течение 10-15 мин.

На участках пластов с низкой трещиноватостью и высокой прочностью, плохо принимающих воду и склонны к повторному восстановлению удароопасности используют пластификаторы, которые на основе адсорбционного воздействия понижают прочность угольного массива.

Контроль эффективности региональных и локальных мероприятий по предупреждению горных ударов производят теми же методами и критериями, что и прогноз удароопасности участков пластов. При использовании в качестве профилактических мероприятий камуфлетного взрывания и бурения разгрузочных скважин контроль эффективности их применения осуществляется посредством бурения шпуров диаметром 43 мм. При использовании в качестве локальных мер борьбы с горными ударами гидрообработки участков пласта эффективность ее проведения осуществляется по измерению влажности проб угля на основании критериев.

Контроль предусматривает:

-опытное установление эффективных параметров локальных мероприятий в каждом забое, повторяемое при каждом изменении горно-технических условий, влияющих на удароопасность участков;

-проверку эффективности локальных мероприятий при разработанных параметрах после их проведения на обрабатываемом участке пласта.

Результаты контроля регистрируют в журнале.

В действующих выработках контроль эффективности производят каждый раз после обработки участка протяженностью не более 0,2l с категорией ОПАСНО до завершения обработки всего этого участка.

Результаты прогноза удароопасности по выходу штыба из шпуров и контроля эффективности профилактических мероприятий на действующих очистных и подготовительных участках отмечаются на доске, установленной у забоя выработок с указанием даты, смены, фамилии горного мастера службы прогноза, данных прогноза и контроля эффективности, безопасной глубины подвигания забоя и привязки забоя на момент выполнения прогноза или контроля эффективности к пикетному знаку.

Разрешение на ведение горных работ после установления категории НЕОПАСНО дает технический руководитель — главный инженер шахты (рудника).

Выводы по главе:

Горным ударом считается мгновенное хрупкое разрушение угольного (рудного) целика, краевой части пласта (массива) или боковых пород, находящихся в предельно напряженном состоянии, проявляющееся в виде отброса или выдавливания угля (породы) в горные выработки и приводящее к повреждению горной крепи, смещению машин, оборудования и нарушению технологического процесса.

Классификация по месту проявления предусматривает шесть групп собственно горных ударов:

Группа I - в сплошных целиках;

Группа II - в целиках, прорезанных выработками;

Группа III - в целиках, отделенных от массива выработками;

Группа IV - в краевой части угольного пласта;

Группа V - в выработке, проведенной в угольном массиве;

Группа VI - в выработках с разрушением почвы или кровли пласта.

По степени опасности угольные пласты (участки горного массива), склонные к горным ударам разделяют на угрожаемые и опасные.

На пластах, склонных к горным ударам, запрещается применение камерной и камерно-столбовой систем разработок.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какое явление называется горным ударом?

2. Какая классификация горных ударов применима для гонорудных месторождений РФ?

3. Что подразумевается под термином «защитный пласт»?

4. Чем отличается «микроудар» от «толчка»?

Тесты для самоконтроля:

1. Мгновенное хрупкое разрушение угольного (рудного) целика, краевой части пласта (массива) или боковых пород, находящихся в предельно напряженном состоянии, проявляющееся в виде отброса или выдавливания угля (породы) в горные выработки и приводящее к повреждению горной крепи, смещению машин, оборудования и нарушению технологического процесса называется: горный удар, горный толчок, выброс, вывал, завал?

2. Классификация по месту проявления горных ударов предусматривает: семь групп, пять групп, четыре группы, три группы, одну группу?

3. Отработку удароопасных пластов выполняют: с минимальным числом опережающих выработок, с максимальным опережением очистного забоя, не имеет значения, без опережения забоя, с отставанием от забоя?

4. Разрешение на ведение горных работ после установления категории НЕОПАСНО дает: технический руководитель - главный инженер шахты (рудника), начальник смены, главный геолог, главный маркшейдер, директор шахты (рудника)?

4.5. Внезапные выбросы угля, породы и газа

Общие сведения

К сложнейшим природно-технологическим явлениям в шахтах относят внезапные выбросы горных пород и газа. Это газодинамическое явление, в котором участвуют упругие силы предельно-напряженных горных пород, сжатого газа и сила тяжести.

Внезапный выброс (выдавливание) угля и газа или выброс породы и газа представляет собой опасное и сложное газодинамическое явление, возникающее в газоносных угольных пластах и породах и характеризующееся быстроразвивающимся разрушением массива с отбросом (смещением) горной массы и выделением газа в горную выработку.

Развитие выброса происходит внешне в форме лавинообразного смещения, дробления горных пород (угля, соли, песчаника, руд) и выноса раздробленной массы выделяющимся газом (СН₂, СО₂, N₂, Н₂) в атмосферу горных выработок. Это явление сопровождается сильными звуковыми колебаниями.

Происшедший выброс характеризуется отбросом пород за пределы угла естественного откоса, тонким измельчением отброшенной горной массы и измельчением угля до тончайшей пыли ("бешеной муки"), повышенным по сравнению с обычным газовыделением, снижением температуры, образованием характерной полости, а для пород - увеличением площади поперечного сечения выработки, превышающим паспортные размеры.

К газодинамическим явлениям относят собственно выбросы угля, соли, пород, руды, обрушения пород с усиленным газовыделением, прорывы газа, выбросы газа с выносом угольной щелочи и горные удары с выделением газа.

Первые сведения о внезапных выбросах относятся к 30-м годам XVIII в.

По мере перехода к разработке более глубоких горизонтов частота и сила внезапных выбросов повсеместно возрастали.

Первый внезапный выброс в России произошел в Донецком бассейне в 1906 г. на шахте “Новая Смолянка” в пласте “Смоляниновский” на глубине 711 м.

В настоящее время в странах СНГ внезапные выбросы происходят во многих горнодобывающих бассейнах и районах: на угольных шахтах Кузбасса, Донбасса, Карагандинском и Печорском бассейнах, на рудниках Старобинского и Верхнекамского месторождений калийно-магниевых солей.

Проявляются внезапные выбросы в разнообразных условиях и формах.

В качестве основных разновидностей этих газодинамических явлений можно выделить:

- собственно внезапные выбросы полезного ископаемого (угля, соли) и газа или вмещающих горных пород и газа при проведении выработок по полезному ископаемому или по породе, либо при ведении очистных работ;

- внезапные выбросы при вскрытии угольных пластов, соляных залежей или выбросоопасных породных слоев;

-выбросы полезного ископаемого или породы и газа при взрывной отбойке;

- внезапные высыпания с повышенным газовыделением;

- внезапные отжимы, сопровождающиеся газовыделением;

- прорыв газа в горные выработки (обычно из подошвы выработки, пройденной по полезному ископаемому).

По мере увеличения глубины горных работ учащаются проявления внезапных выбросов вмещающих пород (песчаников).

Обычно выбросоопасной является не вся толща песчаника, а ее отдельные слои. Выброшенная порода представляет собой в основной массе мелкие пластины размером 3 - 5 см и толщиной до 3 мм, либо гранулированные частицы породы и песок вперемешку с такими пластинами.

Во многих случаях внезапные выбросы происходят после динамического воздействия, осуществляемого при взрывных работах, однако замечено, что сила выброса непосредственно не связана с массой заряда ВВ.

Характерным примером крупного выброса при вскрытии пласта, вызванного взрывной отбойкой, может служить выброс в забое квершлага, пересекавшего слой огнеупорной глины, на угольной шахте “Пиаст” народного предприятия “Нова Руда” (Польша). Опережающим бурением из забоя на расстоянии 1,7 м вскрыли кровлю угольного пласта, в котором измерениями было установлено наличие избыточного газового давления. В целях устранения потенциальной опасности, связанной с избыточным давлением, было решено возбудить выброс. С этой целью было пробурено 12 шпуров и взорвано в них 11,6 кг ВВ. Однако этот взрыв вызвал развитие крупного выброса. В квершлаг было выброшено 5000 т угля и породы. Объем углекислого газа, выделившегося при выбросе, составил около 750 000 м³ В результате выброса были полностью засыпаны горные выработки на участке протяженностью 700 м. Выброшенная масса заполнила также на высоту 6 м от подошвы ствол слепой шахты, расположенной вблизи места выброса. Около 40 т раздробленной массы было при этом заброшено по стволу на вышележащий горизонт, находящийся выше горизонта выброса на 150 м. Выброс привел к длительному простою и большим работам по расчистке выработок и выгрузке выброшенных масс угля и породы.

Весьма мощные выбросы характерны для соляных шахт.

Внезапные выбросы часто происходят и в очистных забоях угольных шахт. При этом выброс может захватывать пласт как на всю его мощность, так и лишь отдельные пачки угля. Полости выбросов могут иметь как грушевидную, так и щелевидную форму.

В ряде случаев вслед за первым выбросом происходят один или несколько последующих, иногда из ранее образованной полости.

Для пластов крутого падения весьма характерны явления внезапного высыпания раздробленного угля, сопровождающиеся значительным газовыделением, но проходящие более спокойно, без динамизма, который свойствен внезапным выбросам. При этом внезапным высыпаниям свойственна кармановидная форма полостей.

Отличительными признаками внезапного выброса угля и газа являются:

-отброс угля от забоя на расстояние, превышающее протяженность возможного размещения его под углом естественного откоса;

-образование в угольном массиве полости;

-смещение угля в выработку;

-повышенное по сравнению с обычным выделение газа в горную выработку, при котором относительное газовыделение больше разности между природной газоносностью пласта и остаточной газоносностью выброшенного угля.

Дополнительными признаками внезапных выбросов угля и газа могут быть повреждение и отброс оборудования, наличие тонкой угольной пыли на откосе выброшенного угля и на крепи.

Внезапному выбросу угля и газа могут предшествовать предупредительные признаки: резкое увеличение газовыделения в выработку, шелушение забоя, появление пылевого облака на груди забоя, удары и трески в массиве, выдавливание или высыпание угля из забоя, отслаивание кусочков угля от забоя, зажим, выталкивание или втягивание бурового инструмента в шпур (скважину), вынос газа и штыба при бурении.

При обнаружении признаков, предшествующих внезапным выбросам, все работающие должны быть немедленно выведены из выработки. Дальнейшее ведение работ может быть возобновлено по письменному разрешению технического руководителя шахты.

Отличительными признаками выброса породы и газа являются:

-образование в массиве полости, оконтуренной породой, расслоившейся на тонкие чешуеобразные пластинки;

-отброс породы от забоя и дробление значительной ее части до размеров крупнозернистого песка;

-повышенное выделение газа в выработку.

Разделение шахтопластов на категории опасности и порядок применения комплексных мер

К шахтопластам, склонным к внезапным выбросам угля (породы) и газа, относятся опасные и угрожаемые по внезапным выбросам шахтопласты. В отдельных случаях выделяют особо выбросоопасные участки шахтопластов [4].

К выбросоопасным относятся шахтопласты, на которых произошли внезапные выбросы или выбросоопасность которых установлена текущим прогнозом или прогнозом при вскрытии.

К угрожаемым относятся угольные шахтопласты с глубин, определенных в соответствии с экспертной оценки.

К особо выбросоопасным относятся участки выбросоопасных шахтопластов в пределах незащищенной нижней части этажа; в зоне геологического нарушения; в зоне повышенного горного давления (ПГД).

Перечень и порядок отработки особо выбросоопасных участков шахтопластов, выбросоопасных, угрожаемых, защитных шахтопластов, переход створов, необходимость применения методов прогноза или способов предотвращения выбросов, а также места заложения рассечных печей (гезенков) на выбросоопасных незащищенных пластах крутого падения ежегодно при рассмотрении программы развития горных работ определяет комиссия под председательством технического руководителя угольной компании. Указанные перечень и порядок отработки утверждаются совместным приказом компании и территориального управления Ростехнадзора.

Для безопасной разработки выбросоопасных и угрожаемых угольных пластов предусматривают следующие меры:

- прогноз выбросоопасности;

- опережающую отработку защитных пластов;

- способы предотвращения внезапных выбросов угля и газа и контроль их эффективности;

- систему разработки и технологию в очистных и подготовительных забоях, снижающих вероятность возникновения внезапных выбросов угля и газа;

- мероприятия по обеспечению безопасности работающих.

Прогноз выбросоопасности угольных пластов производится на следующих этапах освоение месторождения (шахтного поля):

-при ведении геологоразведочных работ;

-при вскрытии пластов;

-при проведении подготовительных выработок и ведении очистных работ.

Для прогноза выбросоопасности угольных пластов и контроля эффективности применяемых способов борьбы с выбросами должны применяться приборы, приспособления и устройства заводского изготовления, соответствующие Требованиям ГОСТов (ОСТов) и ТУ.

Вскрытие пластов, а также ведение очистных и подготовительных работ в пределах защищенных зон производят без применения прогноза выбросоопасности и способов предотвращения внезапных выбросов, а взрывные работы ведут в режиме, предусмотренном для сверхкатегорных по газу шахт.

Незащищенные выбросоопасные угольные шахтопласты или участки должны отрабатываться с применением прогноза и способов предотвращения внезапных выбросов.

Текущий прогноз выбросоопасности предназначен для установления опасных и неопасных зон при проведении подготовительных выработок и ведении очистных работ. При невозможности выполнения текущего прогноза выбросоопасности вводятся локальные способы предотвращения выбросов или сотрясательное взрывание. Текущий прогноз выбросоопасности в подготовительных выработках осуществляется по структуре пласта и по начальной скорости газовыделения из контрольных шпуров. При проведении нисходящих подготовительных выработок на крутых пластах применяется автоматизированный прогноз с применением аппаратуры контроля метана (АКМ). Выбросоопасность в очистных выработках шахт Кузбасса оценивается по результатам комплексного прогноза выбросоопасности в очистных забоях. При оценке выбросоопасности на шахтах Кузбасса как дополнительный метод в сочетании с вышеуказанными может применяться прогноз по амплитудно-частотным характеристикам искусственного сигнала.

При текущем прогнозе по акустической эмиссии (АЭ) горного массива способ и место установки сейсмоприемников, порядок перестановки и определения их радиуса действия указывают в паспорте выемочного участка и паспорте проведения и крепления выработок в разделе «Применение звукоулавливающей аппаратуры (ЗУА)». За радиус действия принимают расстояние, на котором сейсмоприемник воспринимает колебания, вызванные контрольными ударами (или работой отбойного молотка) с амплитудой, превышающей уровень фона более чем в два раза.

Для наблюдений за АЭ горного массива при очистных работах сейсмоприемник устанавливают впереди забоя в шпуре длиной не менее 2 м. Расстояние от забоя до сейсмоприемника должно быть не менее 3 м и не более половины радиуса его действия. При отсутствии опережающих выработок допускается установка сейсмоприемника на элементы крепи.

Для наблюдений за АЭ в подготовительных выработках, проводимых взрывным способом, сейсмоприемник устанавливают в шпуре длиной не менее 2 м, пробуренном в массиве угля, на расстоянии от забоя 5-20 м. Если по техническим причинам установка сейсмоприемника в массиве угля не представляется возможной, допускается его установка во вмещающих породах в шпуре глубиной не менее 0,5 м на расстоянии от забоя 5-20 м.

Для наблюдений за АЭ в подготовительных выработках, проводимых комбайном, расстояние от шпура до забоя должно быть 20-40 м.

Установка сейсмоприемников должна осуществляться электрослесарем группы прогноза. Оператор группы сейсмопрогноза должен ежесменно в журнале регистрации отмечать расстояние от забоя до сейсмоприемника по информации сменного надзора эксплуатационного (подготовительного) участка и участка ВТБ.

Способы и схемы установки сейсмоприемников для конкретных условий разрабатывает и рекомендует ННЦ ГП ИГД им. А.А. Скочинского, они должны быть внесены в паспорт выемочного участка и паспорт проведения и крепления горных выработок в раздел «Применение звукоулавливающей аппаратуры (ЗУА)».

Один раз в месяц результаты контрольного определения радиуса действия должны быть зарегистрированы на магнитной ленте и оформлены актом, утвержденным техническим руководителем шахты. Лента с записью сохраняется до следующего контрольного определения радиуса действия, акт и график хранят в течение года.

Региональные способы предотвращения внезапных выбросов предназначены для заблаговременной обработки угольного массива впереди очистных и подготовительных забоев.

К региональным способам относятся: опережающая отработка защитных пластов, дегазация угольных пластов, увлажнение угольных пластов.

Локальные способы предназначены для приведения призабойной части угольного массива в невыбросоопасное состояние. Их осуществляют со стороны очистных или подготовительных забоев.

К локальным способам относятся: гидрорыхление, низконапорное увлажнение, низконапорная пропитка, гидроотжим с предварительным увлажнением, гидровымывание опережающих полостей, образование разгрузочных пазов и щелей в угольном пласте и вмещающих породах, бурение опережающих скважин, торпедирование угольного массива, образование разгрузочной щели по длине очистного забоя.

Во всех случаях применения региональных и локальных способов предотвращения внезапных выбросов угля и газа необходимо осуществлять контроль их эффективности.

При интенсивном газовыделении и проявлении предупредительных признаков внезапных выбросов угля и газа во время локальной противовыбросной обработки массива (бурении опережающих скважин, гидроотжиме, гидровымывании опережающих полостей) необходимо применение мероприятий по предотвращению загазирований и развязывания газодинамических явлений в процессе выполнения способов предотвращения внезапных выбросов.

При разработке незащищенных выбросоопасных угольных шахтопластов должны применяться следующие мероприятия по обеспечению безопасности работающих:

- производство взрывных работ в режиме сотрясательного взрывания;

- устойчивое проветривание забоев с подсвежением исходящей из очистного забоя струи воздуха (кроме сплошной системы разработки);

- регламентация последовательности выполнения технологических процессов и способов предотвращения внезапных выбросов угля и газа при работе в опасных зонах;

- организация телеметрического контроля за содержанием метана в очистных и подготовительных забоях, в том числе при сотрясательном взрывании в угольных и смешанных забоях;

- устройство индивидуального и групповых пунктов жизнеобеспечения, переносных спасательных пунктов, телефонной связи; дистанционного включения и выключения машин и механизмов.

Предотвращение выбросов горных пород и газа

Мероприятия по безопасному вскрытию угольных пластов начинают при приближении забоя выработки к пласту на расстояние 4 м и заканчивают после удаления забоя от пласта на расстояние не менее 4 м по нормали.

Вскрытие осуществляют в следующей последовательности: приближение, обнажение пласта, пересечение его, удаление (отход), возведение постоянной крепи на полное сечение выработки.

Перед началом проходки вертикального ствола предварительно уточняют глубину расположения угольных пластов. В углубляемых стволах доразведку проводят за 10 м до предполагаемого места встречи с угольным пластом.

Для предотвращения выбросов применяют бурение дегазационных скважин, возведение каркасной крепи и гидрообработку угольного массива.

Дегазационные опережающие скважины малого (70-100 мм) и большого (более 200 мм) диаметров бурят за 2 м до вскрываемого пласта по нормали. Каркасная крепь из профиля или труб, зацементированных в скважинах, должна опережать забой ствола не менее чем на 2 м. Обнажение и пересечение пласта выполняют спустя трое суток после возведения каркасной крепи.

Гидрорасчленение (гидрорыхление) пласта перед вскрытием проводят для повышения проницаемости и пластичности через скважины диаметром 43-60 мм.

Вскрытие пластов квершлагами и другими выработками осуществляют после обеспечения вентиляции за счет общешахтной депрессии. Мероприятия по предотвращению выбросов, выполняемые с расстояния 3 м по нормали до вскрываемого пласта, следующие: бурение дегазационных скважин, нагнетание воды в пласт, гидровымывание полостей, возведение каркасной крепи и нагнетание растворов, изменяющих фазовое состояние.

При вскрытии пласта с использованием дегазационных скважин их число и схемы расположения зависят от радиуса эффективного влияния одной скважины и мощности вскрываемого пласта.

При вскрытии пластов тонких и средней мощности воду нагнетают через 5-6 скважин последовательно в каждую из них до гидросбойки с соседней скважиной.

Вскрытие с гидровымыванием полостей выполняют при наличии мягких пачек при боковых породах не ниже средней устойчивости. Гидровымывание осуществляют через скважины диаметром 100-200 мм, полностью пересекающие вскрываемый пласт.

Металлическую каркасную крепь применяют при вскрытии крутых пластов, представленных мягкими сыпучими углями и слабыми боковыми породами. Для этого через породную толщу между забоем выработки и пластом по периметру выработки на расстоянии 0,3 м друг от друга бурят скважины, которые пересекают пласт и выходят в породы кровли не менее чем на 0,5 м. В скважины вводят металлические трубы или рельсы, под их выступающие концы подводят железобетонную или металлическую арку, которую прочно соединяют с трубами каркаса и закрепляют анкерами в стенки и кровлю выработки.

При вскрытии пластов с нагнетанием растворов, изменяю­щих фазовое состояние, используют водные растворы мочевиноформальдегидной или фенолформальдегидной смолы с различного рода отвердителями (кислоты, хлористый аммоний), которые, твердея в трещинах пласта, повышают равнопрочность массива и увеличивают его устойчивость.

При гидроотжиме ставят задачу при помощи воды, нагнетаемой в шпур, обеспечить выдвигание призабойной части угольного пласта в сторону выработки, для чего рабочую часть шпура следует располагать в упругодеформированной области.

Гидроотжим пласта применяют в очистных и подготовительных выработках тонких, средней мощности и мощных пластов за исключением восстающих выработок с углом наклона более 25^о и лав крутых пластов.

Длина шпуров в зависимости от мощности пласта составляет 2-5,5 м. Длина герметизации шпуров l_г на 0,3 м меньше длины шпуров.

Гидроотжим контролируют по величине выдвигания забоя в выработку, замер которой осуществляют по смещению забивных реперов. Выдвигание угольного забоя на пластах тонких и средней мощности должно быть не менее 0,01l_г в очистных забоях и не менее 0,02l_г в подготовительных.

При гидроотжиме возможен выброс, поэтому рабочие в тупиковых выработках в период нагнетания должны находиться на расстоянии не менее 120 м от забоя, в очистных забоях - на расстоянии не менее 20 м от шпура на свежей струе воздуха.

Гидровымывание опережающих полостей. Механизм воздействия на призабойную часть угольного пласта опережающих полостей аналогичен механизму воздействия разгрузочных скважин и щелей. Гидровымывание опережающих полостей выполняют в подготовительных забоях в мягких пачках угля мощностью более 5 см.

Высоту полости принимают в зависимости от мощности пачки, но не более 25 см. Для получения наибольшего эффекта от применения этого способа размер целиков между полостями не должен превышать 30 см. Вымывание полостей сопровождается самопроизвольным разрушением угля и микровыбросами с выносом пульпы и газа.

Вымывание полостей осуществляют при помощи гидроствола с насадками. Эффективность гидровымывання опережающих полостей оценивают по снижению газоносности пачек нарушенного угля.

Предотвращение выбросов породы и газа. Существуют следующие способы предотвращения выбросов: оптимизация параметров буровзрывных работ, возведение заградительных перемычек, проведение выработок комбайнами со специальным исполнительным органом и образование разгрузочных щелей.

При расчете зарядов расход ВВ на разрушение 1 м³ породы должен составлять 0,8 1,5 кг непредохранительных ВВ и на 25-30% больше предохранительных. Выработки рекомендуют проходить с опережающим забоем уменьшенного поперечного сечения при одновременном взрывании в обоих забоях с применением электродетонаторов миллисекундного замедления. Длину шпуров принимают равной 1,61,8 м. Одновременно с оптимизацией буровзрывных работ на расстоянии от забоя 3-3,5 м с целью локализации выброса и торможения его развитии устраивают заградительные перемычки из канатов и колец.

Проведение выработок осуществляют комбайном, исполнительный орган которого выполняют таким образом, чтобы при проходке забой выработки имел полусферическую форму в сторону массива. Это уменьшает скорость деформации восстановления массива.

При проведении выработок с разгрузочными щелями последние устраивают по периметру выработки шириной не менее 20 мм и глубиной, превышающей на 0,3 м глубину шпуров для буровзрывных работ.

Для предотвращения выбросов соли и газа испытали и применяют способы, аналогичные тем, которые используют в угольной промышленности: увлажнение, гидроотжим, бурение скважин большого диаметра, торпедирование и др.

На калийных рудниках широко применяют методы механической защиты людей от малых (до нескольких сотен килограммов) выбросов и оборудования при больших выбросах, основанные на их предсказании.

Весьма эффективным способом предотвращения выбросов на рудниках Старобинского и Верхнекамского месторождений калийно-магниевых солей оказалось бурение дегазационных скважин малого диаметра (30-50 мм) протяженностью 2-6 м вкрест напластования пород в кровле горных выработок. За 15 лет применения этого способа удалось снизить удельное число выбросов с 5,5-15 на 1 млн.т. добытой руды до 0,4-0,14.

Сотрясательное взрывание. Его используют как крайнюю меру провоцирования выброса при отсутствии другой возможности снижения выбросоопасности. Сущност