Файл: Медведев, И. И. Газовыделения на калийных рудниках.pdf

ской оценки роли фактора горного давления в рассмотренных ди­

намических явлениях При рассмотрении напряженного состояния массива вокруг

одиночной выработки, важно в первую очередь определить соот­ ношение величин вертикальной и горизонтальной составляющих горного давления (коэффициент бокового распора X) и абсолют­ ные значения напряжений. Измерения напряжений в массиве на руднике пока не проводились, поэтому абсолютные значения на­ пряжений, как и соотношение их горизонтальной и вертикалыюп составляющих горного давления, неизвестны.

Визуальные наблюдения за состоянием выработок на Втором Березниковском руднике, а также данные геологической службы рудника свидетельствуют о том, что интенсивное проявление гор­ ного давления начинается сразу же после проведения выработки. Несмотря на то что выработки, проводимые комбайнами, наиболее устойчивы, так как сечение их круглой или сводчатой формы, сра­ зу же после их проведения начинается отслоение породы. Очень часто в выработках наблюдаются изгиб и отслоение слоев в кров­ ле, продольные трещины в кровле по оси выработки, растрескива­ ние по вертикальным трещинам межходовых целиков и выдавли­ вание из них глинистых прослоев.

Наблюдения за состоянием дренажных шпуров показали, что на контактах пластов всегда имеется газ, количество которого колеблется в весьма широких пределах. Газ находится под давле­ нием до нескольких десятков атмосфер.

Механизм рассмотренных выше динамических явлений можно представить следующим образом.

Скорость проведения выработок комбайнами довольно велика. Ввиду этого только что обнаженные поверхности массива перехо­ дят из одного напряженного состояния в другое: часть массива, находящаяся до проведения выработки в состоянии всестороннего сжатия, получает возможность свободно деформироваться в сто­ рону выработанного пространства. При этом знак напряжений изменяется, в приконтурной части массива появляются растяги­ вающие напряжения. В кровле выработки проявлению действия растягивающих напряжений способствует собственный вес поро­ ды. Учитывая, что сцепления слоев на контактах с глинистыми прослоями практически отсутствует, можно предположить, что этих напряжений оказывается достаточно, чтобы произошло нару­ шение сплошности массива по контактам с глинистыми прослоями, а затем и прогиб отделившегося слоя в кровле выработки.

Если произошли отслоение и прогиб слоя, находящегося в не­ посредственной кровле выработки, то эти явления могут распрост­ раниться на вышележащие слои пород. При этом пролет каждого вышележащего слоя н стрела его прогиба будут уменьшаться по сравнению с нижележащими слоями.

Таким образом, зона разгрузки слоев, подверженных отслое­ нию и прогибу, должна иметь в вертикальной плоскости форму

52

усеченного конуса, сужающегося кверху. Для каждого слоя наи­ более опасными местами с точки зрения разрушения будут три точки максимального прогиба слоев: в центре прогиба (на оси выработки) и в местах «закрепления» слоя по обе стороны масси­ ва, т. е. в точках, где отслоение прекращается. В этих точках во внешнем слое изогнутой балки будут действовать максимальные растягивающие напряжения.

В определенных условиях эти напряжения могут достигать предельных значений. В таких случаях происходит р а з р ы в слоев

вточках прогиба — в одной (центральной) или в двух (боковых). По-видимому, в обычных условиях при отсутствии в местах отсло­ ений значительных скоплений газа максимальные напряжения мо­ гут достигать таких значений, при которых происходит только разрыв слоев, расположенных вблизи от поверхности массива по­ средине прогиба (трещины в кровле по оси выработки).

Втех случаях, когда на контактах пластов имеется одно или несколько относительно крупных скоплений газа, газ, устремляясь

вобласть расслоения, может мгновенно увеличить напряженность изогнутых слоев до величины, при которой происходит обруше­ ние.

Если в кровле или в почве выработки имеется выбросоопасный участок (соляная порода, характеризующаяся повышенным со­ держанием связанных газов, пониженной прочностью и повышен­ ной упругостью), то деформация упругого восстановления может способствовать развитию выброса породы и газа как из кровли, так и из почвы выработки. В отдельных случаях обрушение и вы­ брос могут произойти одновременно.

Таким образом, основными факторами, вызывающими обруше­ ния пород при проведении выработок в аналогичных горнотехни­ ческих условиях, по предварительным данным, можно считать:

расслоение пород кровли по глинистым прослоям, начинающее­ ся с нижнего слоя непосредственной кровли выработки;

наличие относительно крупных скоплений газов на контактах пластов.

Для того чтобы не происходило обрушений, необходимая лик­ видация расслоения пород кровли достигается двумя путями:

изменением формы сечения выработки на более устойчивое по сравнению с круглым или сводчатым, при котором исключалась бы возможность расслоения, например, на эллиптическое сечение с длинной вертикальной осью;

креплением выработки, также исключающим возможность рас­ слоения кровли.

Снижение давления контактных газов в крупных скоплениях может быть достигнуто применением дренажного бурения. Наблю­

там, показали эффективность дренажного бурения. Поэтому зада­ ча состоит в разработке оптимальных параметров дренажного

53

бурения. Необходимо установить момент бурения, местоположение и глубину шпуров или скважин, их число и расстояние между

ними.

Однако проведенные исследования не раскрывают полностью причин и механизма рассматриваемых динамических явлений. Для более глубокого и полного понимания этих явлений необходимо знать абсолютные значения напряжений массива к моменту обру­ шений и выбросов (как вертикальную, так и горизонтальную со­ ставляющие), давление газа в пласте и формы его нахождения, т. е. необходимо глубокое и всестороннее комплексное исследова­ ние ряда вопросов.

Внезапные выбросы соли и газа распространены на калийных рудниках бассейна Верра (ГДР), на Верхнекамских и Солнгорских рудниках и Дилерском месторождении СССР. Считая, что ос­ новными причинами выбросов соляных, так же как и других по­ род, являются напряженно-деформированное состояние массива, заключенный в породе газ и некоторые ее физико-механические свойства, нельзя не отметить существенные отличия выбросов от других динамических явлений (обрушений с выделением газа и горных ударов с выделением газа) и от внезапных выбросов угля и газа.

Вопросы, связанные с внезапными выбросами соли и газа, про­ исходящими на калийных месторождениях СССР, рассматривают­ ся в следующих главах этой книги.

§ 2. Методика исследования газовыделений *

Количество выделяющихся в выработку газов можно устано­ вить по количеству выделяющихся газов из всех источников. Число источников газовыделений зависит от способа ведения горных ра­ бот — в основном от системы разработки и способа отбойки по­ лезного ископаемого. Как' уже отмечалось, наиболее распростра­ ненная система разработки на калийных рудниках — камерная, способы выемки руды — буровзрывной и комбайновый.

При камерной системе разработки подготовительные и очист­ ные забои отличаются обычно только размерами.

При ведении работ буровзрывным способом источниками га­ зовыделений в забоях очистных и подготовительных выработок являются: обнаженные поверхности массива, отбойные шпуры, от­ битая порода.

Особо следует выделить газовыделения при взрывных рабо­ тах, источник которых суммарный — это газ, выделяющийся с

* В данном параграфе освещаются вопросы, связанные только с определе­ нием количества выделяющихся горючих и вредных природных газов. Вопросы изучения состава газов, а также такие факторы, как горное давление, физикомеханические свойства пород и другие, вызывающие газодинамические’ явления, здесь ие рассматриваются.

5-1

обнаженной поверхности массива и по трещинам из массива, а также из только что разрушенной породы в забое.

Рассмотрим методику определения газовыделений из каждого источника в отдельности.

Газовыделения с обнаженной поверхности массива. Сущность исследований заключается в определении количества горючих га­ зов, выделяющихся в единицу времени с единицы площади обна­ женной поверхности массива. Для этого определенная площадь поверхности обычно на стенке выработки изолируется от окружа­ ющей атмосферы с помощью специального металлического щита. Через изолированный объем с небольшой скоростью протягивает­ ся рудничный воздух.

В. П. Шатов для этой цели использовал эжекторный аспиратор типа АЭР-4 [28]. После продувки, обеспечивающей пятикратный обмен газовоздушной смеси под щитом, отбирались пробы возду­ ха, выходящего из-под щита, и пробы воздуха у точки наблюде­ ния. По концентрации газа и объему пропущенного под щитом воздуха можно определить объем выделившихся горючих газов. Проводя такие замеры через определенные интервалы времени несколько раз — с момента обнажения поверхности и до прекра­ щения газовыделений (отсутствия горючих газов в отобранной при

в ы д е л е н и я во в р е м е н и и п о д с ч и т а т ь а б с о л ю т н о е к о л и ч е с т в о в ы д е л и в ш е г о с я г о р ю ч е г о г а з а .

Газовыделения из шпуров на Верхнекамском месторождении наблюдаются на всех промышленных пластах. Эти газовыделения в основном бывают медленными и спокойными (обычные), а ино­ гда бурными, сопровождающимися выбросами бурового штыба, толчками, повышением концентрации горючих газов в районе бу­ рения (суфлярные).

Объем газовыделения в этом случае устанавливается по коли­ честву газа, выделяющегося из отдельного шпура за весь период газовыделения (с момента окончания бурения до прекращения газовыделения). С помощью газозатвора, прибора Энглера или другого герметизирующего устройства производится герметизация шпура. Наблюдения заключаются в периодическом замере скоро­ сти нарастания давления до максимального и отборе проб газа из шпура на химический анализ. Наблюдения прекращаются тог­ да, когда избыточное давление в шпуре, свидетельствующее о вы­ делении газа, снижается до 2—10 мм рт. ст. или совсем исчезает.

где V — объем загерметизированной части шпура, м3; Іі — давле­ ние газа в шпуре, мм рт. ст.; tn — время наблюдения (время на­

55

растания давления до максимальной постоянной величины), мин. Объем газа, выделившегося из одного шпура за период между

двумя замерами, определяется по формуле

Объем газа, выделившегося из одного шпура за весь период газовыделения,

па глубину бурения, а также его давление в шпурах, которое, как правило, меньше давления газа в пласте, но в случае крупных скоплений приблизительно равно пластовому.

При бурении глубоких шпуров и скважин и попадании их в крупное скопление газа по такой методике может быть зафикси­ ровано суфлярное выделение, длительность его действия, опреде­ лены объем и давление газа.

Газовыделения из отбитой породы. При взрывной отбойке в связи с дроблением горной породы в рудничную атмосферу выде­ ляются не только свободные, но и частично связанные газы.

Методика изучения газовыделений из отбитой руды, применен­ ная В. П. Шатовым, заключалась в следующем [28].

Сразу после взрывания до включения вентилятора местного проветривания из отбитой руды в двух-трех точках забоя отби­ рали пробы газа специальным пробоотборником. Последующие пробы отбирали через каждые 30—60 мин до полной выгрузки

где Ѵфтб.р — объем отбитой руды (в массиве), м3; с — средняя концентрация горючих газов в пробе, %; /е — коэффициент раз­ рыхления руды.

Разность между первоначальным н конечным содержанием газа в отбитой руде с учетом изменения ее объема составляет объем горючих газов, выделившихся в рудничную атмосферу.

Газовыделения при взрывных работах. В момент взрывания происходит мгновенное разрушение большого объема породы,

56