Способы борьбы с горными ударами

Горные удары обладают значительной разрушительной силой и, как правило, носят характер крупных аварий, резко нарушающих нормальную деятельность предприятия. 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.

Борьба с горными ударами и выбросами осуществляется в направлении снижения напряженного состояния приконтурного массива путем управления горным давлением и изменения свойств горных пород и перевода их в потенциально неудароопасное состояние. При этом можно выделить следующие основные методы [2]:

• 1) Технологические.
• 2) Камуфлетное взрывание
• 3) Увлажнение горных пород
• 4) Бурение разгрузочных скважин
• 5) Использование поверхностно-активных веществ

Технологические методы состоят в выборе таких параметров разработки месторождений, которые в максимальной степени нейтрализуют опасные последствия горного давления. К ним можно отнести: применение специальных систем и порядка разработки, не допускающих значительную концентрацию напряжений; максимально возможное уменьшение площади обнажений горных пород; учет тектонических нарушений и зон опорного давления соседних выработок; использование специальных форм сечения выработок и др.

Примером может служить способ разгрузки месторождения и снижение его удароопасности, включающий геодинамическое районирование месторождения, выделение тектонически подвижных блоков, выявление их динамического взаимодействия, оценку среднего уровня главных напряжений в массиве горных пород и степени потенциальной удароопасности месторождения и проведение мероприятий по разгрузке [3]. Данный способ заключается в том, что с целью разгрузки месторождений с любой конфигурацией рудного тела и повышения эффективности снижения потенциальной удароопасности месторождения за счет необратимого снятия тектонических напряжений, действующих в субгоризонтальной плоскости, определяют величину сдвижения массива горных пород вместе с месторождением в сторону земной поверхности, обеспечивающую необратимую разгрузку массива от повышенных тектонических горизонтальных напряжений и перевод его в неудароопасное состояние, а в качестве мероприятий по разгрузке производят сдвижение массива путем бурения скважин под месторождение, размещения в них и взрывания зарядов взрывчатого вещества.

Основными недостатками данного метода являются его трудоемкость, а в выработках, опасных по взрыву газа и пыли, также к излишне интенсивному истечению газа и горячих продуктов взрыва, что повышает опасность вспышек метана или пыли, а также низкая эффективность разгрузки массива.

Также известен способ двух-стадийной проходки выработки[4]. Это способ проведения пластовых выработок на пластах, склонных к внезапным выбросам угля и газа Он заключается в том, что для предварительной разгрузки пласта от действия сил горного давления и дегазации его осуществляют проходку передовой выработки уменьшенного сечения по породам непосредственной кровли пласта. При этом проходку этой выработки осуществляют на всю проектную длину или на длину не менее 200 м. После проведения передовой выработки осуществляют проходку пластовой выработки проектного сечения со скоростью, не превышающей скорость перемещения передовой выработки по породе. Ограничение скорости проходки выработки проектного сечения увеличивает время разгрузки и дегазации пласта передовой выработкой.

Основным недостатком данного способа является то, что он не устраняет выбросоопасности по следующей причине: расположение передовой выработки относительно выбросоопасного пласта в пределах мощности непосредственной кровли не ограничивается (Н). При этом величина породной толщи между подошвой выработки и пластом будет равна 0. (Н-h) (h минимальная высота передовой выработки, определяемая согласно требованиям «Правил безопасности в угольных и сланцевых шахтах). Согласно 37 ПБ высота h равна 1,8 м. Мощность непосредственной кровли может достигать 6−8m (m мощность угольного пласта).

Известен способ предупреждения горных ударов на пологих удароопасных пластах[5]. При осуществлении способа изучают стратиграфический разрез и геологическое строение свиты пластов и вмещающих пород, включающие и разрабатываемый удароопасный пласт, определяют пространственную ориентацию эндогенных трещин в кровле защищаемого пласта. Технологическую схему выемки пласта и направление подвигания очистного забоя выбирают таким образом, чтобы эндогенные трещины в породах кровли падали в сторону выработанного пространства и угол встречи линии очистного забоя и линии простирания этой системы трещин составлял 20−40°. Повышается безопасность и эффективность отработки пластов.

Основным недостатком данного способа является возможность его применения только при определенных горно-геологических условиях, а также данный способ значительно усложняет схему выемки пласта.

Известен способ разработки удароопасных пластов с использованием нижележащего неудароопасного пласта [6]. Метод, заключающийся в том, что изучают стратиграфический разрез и геологическое строение свиты пластов и вмещающих пород, включающие и разрабатываемый удароопасный пласт, определяют нижележащий неудароопасный защитный пласт, который подлежит первоочередной отработке (расстояние между защитным и защищаемым пластами должно быть не менее трех вынимаемых мощностей последнего и не более 40−80 м в зависимости от физико-механических свойств и состава пород междупластья); выбирают технологическую схему опережающей отработки защитного пласта, обеспечивающую ударобезопасное ведение горных работ на защищаемом пласте.

Недостатками этого способа являются:

• — обязательное наличие неудароопасного защитного пласта, расположенного ниже защищаемого на расстоянии не менее трех вынимаемых мощностей защитного пласта и не более 40−80 м в зависимости от физико-механических свойств и состава пород междупластья;
• — обязательное опережение горных работ на защитном пласте (не менее чем на 1,5 выемочных столба по падению), что в современных условиях и при длинных выемочных столбах может привести к отставанию во времени развития очистных работ на защищаемом (возможно более производительном) пласте на 1−2 года;
• — увеличение в 1,3−1,5 раза себестоимости добычи угля, т.к. защитный пласт может быть низкокачественным и залегать в сложных горно-геологических условиях;
• — низкая надежность способа из-за высокой изменчивости горно-геологических условий (мощности пластов и междупластий, физико-механических свойств и состава горного массива и др.).

Камуфлетное взрывание представляет собой взрывание заряда внутреннего действия без выброса породы. При этом в массиве образуется зона трещиноватости, параметры которой определяются конструкцией и величиной камуфлетного заряда. Вследствие развития трещин значительно уменьшается прочность и упругость массива, что, в общем случае, благоприятствует процессам разработки пород. Чаще всего камуфлетное взрывание используется для снятия напряжений при борьбе с горными ударами и выбросами. В этом случае накопленная массивом упругая энергия расходуется на смыкание образовавшихся трещин, т. е. на необратимую пластическую деформацию, тем самым предотвращая последующий горный удар.

В качестве примера приведем способ предотвращения динамических явлений при разработке угольных пластов во вмещающие горные породы бурят скважины, через эти скважины нагнетают водосодержащее жидкое взрывчатое вещество (ВВ) на участки ослабленных контактов слоев вмещающих пород, а сами скважины заполняют загущенной взрывчатой смесью [7]. Разупрочнение горных пород производят путем взрыва водосодержащего ВВ, причем инициирование взрыва осуществляют неэлектрическим способом.

Недостатком этого метода является невозможность обеспечения в достаточной степени разгрузки вмещающих пород выработки и не полное устранение вероятности горных ударов, особенно на участках расположения слоя крепкой породы в непосредственной близости от почвы выработки.

Увлажнение горных пород путем предварительного нагнетания воды в удароопасный массив. Жидкость, проникая в трещины, оказывает расклинивающий эффект, способствуя их дальнейшему развитию. Однако перенапряженный удароопасный массив, как правило, не имеет открытых трещин, и проникновение воды в него практически невозможно. В этом случае используют гидроразрыв пород по контактам пластов за счет очень высокого давления нагнетания. Применение данного метода возможно только в слоистом массиве, например, на контакте угольного пласта и вмещающих пород.