СПОСОБ ПРОГНОЗА ВЫБРОСООПАСНОСТИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для прогноза выбросоопасных зон при проходке или проектировании подготовительных выработок.

Известен способ прогноза выбросоопасных зон, включающий бурение шпура параллельно продольной оси выработки, измерение поинтервально начальной скорости газовыделения и выхода бурового штыба, определение показателя выбросоопасности и разделение пласта на выбросоопасные и неопасные зоны (Пузырев В.И., Вершинин Н.Г., Хашин В.Н. и Поскагин В.А. Метод прогноза выбросоопасности пластов и контроля эффективности профилактических мероприятий по скважинам малого диаметра. Труды ВостНИИ. Том 20. Кемерово, 1973 г., с.161-174).

Недостатком способа является отсутствие возможности оценки выбросоопасности пласта в нарушенных зонах, когда выход штыба не соответствует существующему распределению напряжения впереди движущегося забоя. Кроме того, способ позволяет определять положение выбросоопасной зоны только на небольшом расстоянии от груди забоя (до 5 м).

В качестве прототипа принят способ определения выбросоопасных зон при проведении подготовительной выработки, включающий бурение шпура параллельно продольной оси выработки на глубину 15-30 м, определение крепости угля через 5-10 см. По его величине вычисляют активные силы, вызывающие выброс, и пассивные силы, препятствующие выбросу, а показатель выбросоопасности определяют по известной формуле

R_в=F_a-F_п,

где F_a - активные силы, вызывающие выброс;

F_п - пассивные силы, препятствующие выбросу.

При R_в>0 зону относят к выбросоопасной, а при R_в<0 - к невыбросоопасной (авторское свидетельство СССР №979644, кл. E21F 5/00, заявлено 17.12.1975 г., авторы В.Г.Кожевин, Б.Г.Тарасов, В.И.Мурашев, В.Л.Бульбенко, В.В.Дырдин и Б.К.Кретов, опубликовано в 1982 г., Б.№45).Преимуществом известного способа является то, что он приводит к сокращению объемов применения противовыбросных мероприятий в подготовительных выработках. Недостатком известного способа является невозможность использования его при проектировании горных выработок, когда не будет шпуров и нет данных по параметрам выработки, коэффициентам крепости угля, напряжении на линии забоя и т.д.

Техническим результатом использования изобретения является возможность его применения как при проходке, так и на стадии проектирования за счет использования технических характеристик горных выработок, проходимых в сходных условиях или находящихся на стадии проектных решений.

Предложен способ прогноза выбросоопасности подготовительных выработок, включающий определение глубины ведения горных работ от поверхности, сечения горной выработки по углю, активных и препятствующих воздействующих сил на уголь в призабойном пространстве с возможностью перемещения его в забое и прогноз выбросоопасности по разности указанных сил.

Отличием является то, что дополнительно определяют давление газа в нетронутом массиве пласта, коэффициент средневзвешенной крепости угля в пласте, коэффициент сцепления угля, напряжение в массиве угля по линии забоя и зону разгрузки угольного массива впереди забоя, а прогноз выбросоопастности осуществляют по математической формуле

где S - сечение выработки, м²;

f - средневзвешенный коэффициент крепости угля;

P_o - давление газа в нетронутом массиве, определяют непосредственно по формуле

Р_o=0,092×(H-45), МПа;

Н - глубина ведения горных работ от поверхности, м;

- напряжение на линии забоя, непосредственно замеряют или

определяют по формуле

К - коэффициент сцепления угля, непосредственно замеряют или определяют по формуле

Х - зона разгрузки подготовительной выработки м, определяют по формуле

где α - реологический параметр, определяемый по формуле

, 1/ч;

l_ш - ширина захвата исполнительного органа, м;

V - среднесуточная скорость продвижения забоя, м/сут.

При R>0 пласт относят к выбросоопасному, а при R<0 к неопасному по внезапным выбросам угля и газа.

Предлагаемый способ прогноза выбросоопасности может использоваться как для проходимых выработок, когда параметры выработки и характеристики угольного массива используются непосредственно путем их замера, или для проектируемых выработок, когда параметры и технические характеристики принимают на основании проектных решений или по аналогии с другими проводимыми выработками.

Предлагаемый способ прогноза выбросоопасности поясняется схемой механизма развязывания внезапного выброса угля и газа в подготовительной выработке, приведенной на чертеже. На схеме приведена ситуация на момент выемки угля заходки L и показано состояние угольного массива в зоне I-III на момент возникновения выбросоопасной ситуации. Когда величина заходки L оказывается такой, что равнодействующая сил давления газа в некоторой близкой к вновь образованному забою параллельной ему трещине будет больше предельной равнодействующей сил сопротивления угля отрыву, развязывается внезапный выброс. По мере того как начнут отторгаться более удаленные от первоначального положения слои, происходит быстрый перенос отделенных кусков угля из зоны высокого давления газа в зону низкого давления, за счет чего возникает эффект газового дробления угля. Таким образом, впереди подготовительной выработки, проводимой по выбросоопасному пласту, формируется три зоны (I-III), отличные друг от друга по состоянию угольного массива. Ближайшая к забою зона I представляет из себя сжатую смещающимися породами интенсивно разрушенную угольную массу, обладающую низкими фильтрационными свойствами. Следующая зона II характерна тем, что в ней под действием сил горного давления образовалась густая сеть ориентированных параллельно забою трещин, в которых аккумулируется значительное количество находящегося под давлением свободного газа. Третья зона III является переходной от упругого состояния массива к пластически-упругому. Существенными факторами, способствующими подготовке угольного массива к реализации энергии свободного газа, являются такие, как изменение по простиранию пласта прочностных свойств угольного массива (f, Р₀, , К, Х и др.) в сторону их снижения и технические параметры проведения выработки (сечение выработки по углю S, величина заходки, среднесуточная скорость подвигания забоя v, ширина захвата исполнительного органа l_ш и др.). Предложенный способ позволяет не только определять для конкретных условий возможность возникновения выбросоопасных ситуаций, но и выявлять наиболее значимые факторы и определять степень воздействия на них с целью предотвращения развязывания внезапных выбросов угля и газа.

Прогноз выбросоопасности осуществляют по математической формуле

где S - сечение проводимой выработки, влияет на протяженность области пониженных напряжений, м²;

f - средневзвешенный коэффициент крепости угля определяется по известной методике;

Р_o - давление газа в нетронутом массиве, непосредственно измеряют или определяют по формуле

Р_o=0,092×(H-45), МПа;

Н - глубина ведения горных работ от поверхности;

- напряжение на линии забоя, измеряют или определяют по формуле

К - коэффициент сцепления угля, замеряют или определяют по формуле

;

Х - зона разгрузки подготовительной выработки, определяют по формуле

α - реологический параметр, определяемый по формуле

, 1/ч;

l_ш - ширина захвата исполнительного органа, м;

ν - среднесуточная скорость продвигания забоя, м/сут.

На основании проведенных измерений и расчетов по формулам получены следующие исходные данные: S=14 м²; f=0,3; Р_o=3,45 МПа; Н=420 м; =0,13 МПа; К=2,2; Х=26,79 м; α=3,88 1/ч; l_ш=0,3 м; ν=4 м/сут. Подставив эти значения в формулу, определяем значение R=1,29. Так как R является положительной величиной, то результатом прогноза выбросоопасности будет то, что данная подготовительная выработка относится к опасным по внезапным выбросам угля и газа.

Существенным преимуществом предлагаемого способа прогноза выбросоопасности подготовительных выработок является его высокая эффективность и возможность, используя непосредственно замеренные при проходке данной выработки или в аналогичных условиях, а также расчетные параметры, делать прогноз выбросоопасности как на стадии проходки, так и на стадии проектирования выработки.