Разработка способа повышения эффективности проведения горных выработок по выбросоопасным песчаникам (на примере Красноармейского района Донбасса)

Актуальность работы. Решениями ХХУ1 съезда КПСС намечено довести добычу угля в СССР к 1985 г. до 800 млн. т в год. При этом, как отмечается в «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года», необходимо повышать эффективность работ, улучшать условия труда и технику безопасности. Опыт строительства и эксплуатации шахт свидетельствует, что разработка угольных месторождений на больших глубинах сопряжена е ухудшением горно-геологических условий, снижением технико-экономических показателей проведения горных выработок и усложнением создания безопасных условий ведения горных работ, в частности, из-за повышения выбро-соопасности горных пород.

При сооружении горных выработок в выбросоопасных породах значительно повышается их стоимость и снижаются темпы проведения в связи с затратами на ликвидацию последствий выбросов и необходимостью применения специальных мероприятий по созданию безопасных условий труда.

Распределение выбросоопасных зон в песчаниках носит локальный характер, что при наличии надежных методов определения этих зон позволяет ограничить область применения специальных противо-выбросных мероприятий только опасными зонами.

Применяемые в настоящее время на шахтах Донбасса способы прогноза оказались ненадежными при определении внбросоопасности песчаников в Красноармейском районе Донбасса, т.к. в опасных, согласно данным прогноза, зонах проявлений внбросоопасности не наблюдались. Это привело к необоснованному применению специальных мероприятий по созданию безопасных условий труда в фактически невыбросоопасных зонах и, как следствие, к непроизводительным затратам труда и средств.

Изложенное свидетельствует об актуальности разработки способов повышения эффективности проведения горных выработок по выбросоопасным песчаникам на основе создания надежных методов определения выбросоопасных зон.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности проведения горных выработок по выбросоопасным песчаникам на основе создания надежных методов оцределения выбросоопасных зон.

Основная идея работы состоит в повышении эффективности проведения горных выработок по выбросоопасным песчаникам путем использования для прогнозирования выбросоопасности показателей, характеризующих энергетическое состояние, характер разрушения песчаников и учитывающих влияние поровых флюидов на потенциальную выбросоопасность пород.

Методы исследования. При решении задач, необходимых для достижения поставленной цели, использовались аналитические, лабораторные и горно-экспериментальные исследования и методы математической статистики для обработки результатов наблюдений.

Научные положения, выносимые на защиту: эффективность проведения горных выработок по выбросоопасным песчаникам может быть повышена за счет надежного прогнозирования выбросоопасных зон по критическим значениям коэффициента неупругого сопротивления, модуля деформируемости, коэффициента затухания упругих колебаний, коэффициентов хрупкости и естественной влажностив опасных и неопасных зонах песчаников коэффициент неупругого сопротивления, модуль деформируемости, коэффициент затухания упругих колебаний и коэффициенты хрупкости, отражающие условия накопления и реализации энергии в массиве горных пород и характер их разрушения, имеют существенно различные значения. В аналогичных по степени опасности зонах различных выбросоопасных песчаников значения указанных показателей не имеют существенных отличийна свойства песчаников, определяющие их выбросоопасность, оказывает влияние только сорбированная влага. При влажности выбросоопасных песчаников свыше предела насыщения сорбированной влагой они утрачивают свои выбросоопасные свойства.

Научная новизна работы заключается в следующем: установлены существенные различия значений показателей, характеризующих физико-механические и деформационные свойства, энергетическое состояние и характер разрушения пород в опасных и неопасных зонах песчаниковвыявлены закономерности влияния влаги, содержащейся в поро-вом объеме песчаников, на их выбросоопасность и значения указанных показателей в зависимости от фазового состояния влагиобоснована целесообразность использования характеристик упругих, неупругих, деформационных свойств пород и содержания естественной влаги в качестве показателей выбросоопасности песчаников, определены их критические значения.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций. т изложенных в диссертации, подтверждается обоснованностью исходных научных предпосылок и принятых методов аналитических и экспериментальных исследований, большим объемом лабораторных и горноэкспериментальных работ, сходимостью результатов теоретических исследований, лабораторных работ и экспериментальной проверки в шахтных условиях.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в разработке способа повышения эффективности проведения горных выработок по выбросоопасным песчаникам"заключающегося в безопасном ведении буровзрывных работ и ограничении области применения противо-выбросных мероприятий только выбросоопасными зонами, выявленными по созданной методике, в результате чего снижается объем и трудоемкость работ по проведению горных выработок, повышается скорость их проведения и снижаются удельные затраты.

Реализация работы. Разработанные способ повышения эффективности проведения горных выработок по выбросоопасным песчаникам и методы определения выбросоопасных зон рекомендованы Центральной комиссией по борьбе с внезапными выбросами угля, породы и газа к промышленным испытаниям на шахтах Донбасса, составлено «Временное руководство по определению выбросоопасности песчаников Красноармейского района Донбасса» .

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на конференции молодых ученых ИПКОН АН СССР (ноябрь 1982 г.), на заседании Центральной комиссии по борьбе с выбросами угля, породы и газа (март 1983 г.), на Всесоюзном совещании по проблеме борьбы с выбросами угля, породы и газа (март 1983 г.), на семинаре в ФТИ АН УССР (апрель 1983 г.).

Публикация. Результаты исследований автора изложены в 6 печатных работахосновное содержание диссертации опубликовано в 4 статьях, в том числе в поданной заявке на изобретение (получено положительное решение).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из 6 разделов, включая введение, заключения, изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 21 рисунок, 35 таблиц, список литературы из 71 наименования и 2 приложения.

Основные результаты исследований заключаются в следующем: I. Установлено, что увеличение содержания влаги приводит к устранению выбросоопасности песчаников, т.к.влага существенно влияет на условия накопления и реализации потенциальной энергии в массиве горных пород. Доказано, что песчаник?35сЦотличается от других песчаников Красноармейского района только повышенной влажностью. Влажность песчаника ?55(1/, на участках с разделением кернов на диски (нормативный показатель выбросоопасности) составляет 4,8%, а песчаника в зонах, в которых систематически происходят выбросы — 1,6/2.

2. Установлено, что значения модуля деформируемости, коэффициента неупругого сопротивления, коэффициента затухания упругих колебаний, коэффициентов хрупкости, отражающие упругие, неупругие"деформационные свойства, характер разрушения горных пород и их энергетическое состояние, в опасных и неопасных зонах одного пласта имеют существенно различные значения. В невыбросоопасных зонах выбросоопасного песчаника:

— величина коэффициента неупругого сопротивления в 1,2−1,3 раза больше, чем в выбросоопасных зонах и составляет ^ 0,34-.;

— величина модуля деформируемости в 1,2−1,4 раза меньше и составляет Е^ < 0,42-Ю4 МПа;

— величина коэффициента затухания упругих колебаний в 1,2−1,5 раза больше и составляет Кз ^ 1,10м" «-'—.

— величина коэффициентов хрупкости в 1,5−2,5 раза меньше и составляет КхР1<0,48, Кхр. г<0,41, Кхр. з ^ 1,00.

— 3. Выявлены закономерности влияния влажности песчаников на их физико-механические свойства, определяющие выбросоопасность. Установлено, что изменение свойств песчаников происходит в диапазоне влажности 0−2,5 $. Повышение природной влажности до 2,5 $ приводит к снижению прочности песчаников в среднем на 60−70 $, модуля деформируемости на 20−40 $ и коэффициентов хрупкости на 50−60 $, и увеличению коэффициента неупругого сопротивления на 30−40 $ и коэффициента затухания упругих колебаний на 25−50 $. Увеличение влажности песчаников свыше 2,5 $ не сопровождается дальнейшим существенным изменением их свойств. Величины данных показателей для песчаников выбросоопасных зон при влажности 2,0−2,5% достигают значений, характерных для выбросоопасных песчаников. Показано, что на свойства песчаников оказывает влияние только сорбированно-связанная влага. Определено, методом ядерно-магнитного резонанса, что сорбционная влагоемкость песчаников Красноармейского района не превышает 2,5 $.

4. Доказано, что показателями выбросоопасности песчаников являются: коэффициент неупругого сопротивления, модуль деформируемости, коэффициент затухания упругих колебаний, коэффициенты хрупкости и естественная влажность пород в массиве, а в качестве критических значений — значения этих показателей для песчаников невыбросо-опасных зон при нулевой влажности. Критический уровень влажности для песчаников Красноармейского района принят равным 2,5%.

5. Разработаны метод определения выбросоопасности песчаников по геолого-разведочным данным и метод текущего прогноза выбросоопас-ных зон, а также способ повышения эффективности проведения горных выработок по выбросоопасным песчаникам, позволяющий ограничить область применения противовыбросных мероприятий только выбросоопас-ными зонами, выявленными по созданной методике, в результате чего снижается объем и трудоемкость работ по проведению горных выработок, повышается скорость их проведения и снижаются удельные затраты.

6. Экономический эффект от применения разработанного способа повышения эффективности проведения горных выработок, одобренного Центральной комиссией по борьбе с внезапными выбросами угля, породы и газа, при шахтных испытаниях на шахте «Красноармейская-Задад-ная» № I составил 744,0 тыс. руб.

Выполненные исследования позволили наметить направления даль. нейших исследований по совершенствованию способов определения выбросоопасности и борьбы с выбросами породы и газа: уточнение критических значений показателей выбросоопасности для песчаников различных районовсоздание способов борьбы с выбросами породы и газа, основанных на увлажнении выбросоопасного породного массива.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании изучения физико-механических свойств выбросо-опасных и невыбросоопасных песчаников в опасных и неопасных зонах, фазового состояния и содержания влаги в поровом объеме песчаников, характера влияния влажности на энергетическое состояние и свойства горных пород, определяющие их выбросоопасность, созданы методы определения выбросоопасности песчаников Красноармейского района по геолого-разведочным данным и текущего прогноза выбросоопасных зон и разработан на их основе способ повышения эффективности проведения горных выработок по выбросоопасным песчаникам.