ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОГО ОСВОЕНИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ, ОПАСНЫХ ПО ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ ЯВЛЕНИЯМ

Полный текст

В последние десятилетия наблюдается усложнение горнотехнических и гидро- геологических условий освоения месторождений твердых полезных ископаемых вследствие перехода горных работ на более глубокие горизонты, недостатка ин- вестиционных ресурсов, внедрения высокопроизводительного технологическо- го оборудования, интенсификации процесса добычи полезных ископаемых и возрастания опасности динамических проявлений - внезапных выбросов по- роды, газа и горных ударов [1]. Отработка угольных пластов сопровождается зна- чительными деформациями и сдвижениями массива горных пород, вызывая перераспределение напряжений в нем, что провоцирует проявление одновремен- но геомеханических, гео- и газодинамических явлений, способствующих воз- никновению катастрофических аварийных ситуаций. Произошедшие на угольных шахтах взрывы метана повлекли гибель большого числа людей и значительные материальные убытки.Наиболее эффективными методами предотвращения опасных газодинамиче- ских явлений являются опережающая отработка защитных пластов, позволяющая в широком диапазоне управлять проявлениями горного давления, и предвари- тельная дегазация угольных пластов.Увеличение газопроницаемости определяется степенью разгрузки от горного давления. Данные об изменениях давления газа и режима его фильтрации важны для предупреждения внезапных выбросов и осуществления эффективной дега- зации метанонасыщенных угольных пластов.Степень дегазации подрабатываемых и надрабатываемых выбросоопасных пластов зависит от интенсивности образования системы газопроводящих трещин, их размеров и местоположения, которые, в свою очередь, определяются величи- нами деформаций горных пород [2].70Есина Е.Н. Особенности обеспечения безопасного освоения месторождений, опасных...Сдвижение горных пород в подработанном массиве выше зоны обрушения происходит в форме последовательного прогиба слоев с разрывом и без разрыва сплошности. При изгибе подрабатываемого породного слоя в нем образуются зоны растяжения и сжатия [3]. При определенных условиях в зонах растяжения породных слоев появляются трещины разрыва, которые, как правило, между со- бой не соединяются, т.е. не являются газоводопроводящими каналами. Однако трещины могут стать сквозными - выше зоны обрушения, если слой в результа- те изгиба в одном направлении получает положительную кривизну, а в другом - отрицательную кривизну. Две взаимно перпендикулярные трещины на сторонах слоя с противоположными по знаку выпуклостями, пересекаясь, образуют сквоз- ной газоводопроводящий канал.Наибольшее раскрытие имеют трещины на верхней и нижней поверхностях породного слоя. По мере удаления от этих поверхностей трещины уменьшаются и на определенной глубине полностью закрываются. На участках, где кривизна во всех направлениях имеет одинаковый знак, в результате пересечения трещин образуется несквозная воронка, глубина которой равна глубине трещины. На участках, где кривизна в одном направлении имеет положительную кривизну, в другом - отрицательную (слой приобретает форму седла), в результате пересе- чения трещин образуется сквозная воронка (одна трещина пересекает верхнюю часть слоя, другая - нижнюю).По мере продвижения забоя лавы перемещаются и образующиеся воронки, при этом за счет перемещения сквозных воронок слой пород рассекается нор- мальными сечениями на балки, параллельные линии движения забоя.Интенсивность падения давления газа характеризует увеличение разгрузки защищаемого пласта и величину расслаивания пород междупластья, сопрово- ждающееся раскрытием сообщающихся с выработками систем трещин.Анализ экспериментальных данных проведения дегазационных мероприятий показывает, что при подработке зона разгрузки в опасном по выбросам пласте велика и прямо пропорциональна мощности отрабатываемого пласта. При над- работке она существенно меньше и от мощности пласта практически не зависит. Разуплотнение на контактах слоев определяет возможность притока газа даже к редким поперечным трещинам из удаленных от них участков разгруженных пла- стов. Поэтому радиусы дегазации значительно повышают размеры областей ин- тенсивного трещинообразования [4].На основе анализа результатов данных натурных наблюдений за давлением газа до и после проведения дегазационных мероприятий установлена взаимосвязь остаточного давления метана после проведения дегазационных мероприятий с горизонтальными деформациями опасного пласта ε:3 PпрP0 = 3,6 ⋅ 10- ,ε(1)где Pпр - природное давление метана до дегазационных мероприятий, ата; P0 - остаточ- ное давление метана после применения дегазационных мероприятий, ата; ε - горизон- тальные деформации опасного пласта.71Вестник РУДН, серия Инженерные исследования, 2016, № 4Для определения возможности возникновения газо- и водопроводящих кана- лов в подработанной толще пород достаточно знать величину относительных деформаций растяжения ε на границах изгибающегося породного слоя и крити- ческую величину относительной деформации растяжения εкр при которой про- исходит разрыв сплошности горных пород.Зависимость горизонтальных деформаций, при которых образуется сплошной газопроводящий канал, от кратности подработки M/m, установленная по резуль- татам данных натурных наблюдений, представлена на рисунке.Рис. Зависимость горизонтальных деформаций, при которых образуется сплошной газопроводящий канал, от кратности подработки: • - данные натурных наблюдений [The horizontal deformations dependence, which forms a continuous gaz channel,from a multiplicity mining: • - the data of field observations]Предельные деформации растяжения εкр, при которых осадочные породы те- ряют сплошность, сквозные трещины будут иметь место при изменении отноше- ния M/m в диапазоне 40 ÷ 25, что соответствует εкр = 0,006 ÷ 0,1 [5].В условиях горизонтального залегания пластов при M/m > 125 (что соответ- ствует εкр = 0,002) секущие трещины в осадочных породах, включая угольные пласты, для которых εкр  0,002, не образуются.При 25 < M/m < 125 секущие трещины в массиве горных пород (0,010 > εкр  0,002) не создают единую газоводопроводящую систему, вследствие чего на пути движения воды или газа появляется дополнительное сопротивление. При определенном отношении M/m это сопротивление становится непреодоли- мым для газа и воды. Такое положение может наступить при M/m  80, когда сквозные секущие трещины не возникают даже в песчаниках (εкр  0,003). В этих условиях сквозные трещины образуются только в угольных пластах, но их доля в общей толще пород не превышает, как правило, 1-2%. Поэтому в условиях M/m  80 уменьшение давления газа в газоносном подработанном угольном пла- сте происходит за счет миграции его во вмещающие пласт породы, расширивши-72Есина Е.Н. Особенности обеспечения безопасного освоения месторождений, опасных...еся в вертикальном направлении вследствие упругого восстановления и рассло- ения пород.Таким образом, защитные функции подработки породного массива обуслов- лены интенсивностью трещинообразования в нем в результате деформирования (прогиба) породных слоев; в зависимости от интенсивности и размеров зоны трещинообразования происходит полная или частичная дегазация газоносного подработанного угольного пласта. Установленные условия образования сквозных газопроводящих и замкнутых локальных каналов дают возможность рациональ- но располагать дегазационные скважины, находить и применять их оптимальные параметры. Выявленная взаимосвязь остаточного давления метана с горизон- тальными деформациями опасного пласта позволяет управлять интенсивностью дегазационных мероприятий процессов.Использование результатов проведенных исследований позволит предотвра- тить аварийные ситуации или снизить их негативные последствия, а также по- высить эффективность утилизации метана.

Об авторах

Екатерина Николаевна Есина

Российский университет дружбы народов

Email: esina_en@pfur.ru
ул. Миклухо-Маклая, д. 6, Москва, Россия, 117198

Список литературы