Системы разработки и технология ведения очистных работ на выбросоопасных пластах

Разработку незащищенных выбросоопасных пластов необходимо производить столбовыми системами разработки (рис. 13.12, а), поскольку при этом очистные и подготовительные работы разделены во времени и пространстве, что повышает безопасность работ. Например, в случае возникновения выброса в штреке продукты выброса не попадают в очистной забой, и рабочие в нем не подвергаются опасности.

Рисунок 13.12 – Предпочтительные системы разработки
для выбросоопасных пластов:

а – столбовая; б – комбинированная столбовой со сплошной с прямоточным проветриванием и подсвежением исходящей струи; в – сплошная со средним вентиляционным штреком; г – комбинированная парными штреками

1 – защищенная от выбросов зона пласта

С другой стороны, вокруг заранее пройденных выемочных выработок происходит дегазация пласта, что исключает выбросы на концевых участках лав. Кроме того, при наличии заранее пройденных выработок имеется возможность проводить региональные мероприятия по борьбе с выбросами, например, путем проведения скважин для дегазации пласта и последующего длительного увлажнения.

Целесообразно также применение комбинированной системы разработки столбовой со сплошной с прямоточным проветриванием (рис. 13.12, б), при которой свежий воздух в лаву поступает по двум выработкам, обеспечивая устойчивое проветривание забоя. В случае возникновения выброса имеется возможность выхода рабочих из участка по свежей струе одной из выработок.

Из-за сравнительно низких темпов проведения выемочных выработок на выбросоопасных пластах, а также по горно-геологическим условиям применение столбовых систем разработки не всегда возможно. В таких случаях допускается применение сплошной системы разработки. Предпочтительной ее разновидностью для данных условий является лава-этаж со средним вентиляционным штреком (рис. 13.12, в). Поступление свежей струи воздуха по двум выработкам обеспечивает обособленное проветривание обеих частей лавы (верхней и нижней) и возможность совмещать работы по выемке угля в одной части лавы с выполнением противовыбросных мероприятий в другой.

Также допустимо применение системы разработки парными штреками (рис. 13.12, г). Если при отработке нечетных ярусов по сплошной системе имеют место внезапные выбросы угля и газа, то при отработке четных ярусов по столбовой выбросы, как показала практика, не происходят. Это объясняется происходящей дегазацией пласта вблизи выемочных штреков и значительным отжимом угля в призабойной зоне, обусловленным передачей на пласт больших опорных нагрузок, вызванных отработкой нечетных ярусов. Вследствие отжима угля происходит естественная дегазация пласта и защита от выбросов в призабойной зоне. С этой точки зрения можно полагать, что на больших глубинах выбросы в самых длинных очистных забоях происходить не будут.

Подготовительные выработки с углами наклона более 10° должны проводиться в направлении сверху вниз. Допускается проведение их снизу вверх комбайнами и с дистанционным управлением со свежей струи воздуха без постоянного присутствия людей в выработке.

Полевые выработки должны проводиться на расстоянии не менее 5 м от выбросоопасных пластов, считая по нормали.

Транспортные выемочные выработки на крутых и крутонаклонных пластах при сплошной системе разработки должны опережать очистной забой (считая от первого уступа лавы или сопряжения лавы со штреком) не менее чем на 100 м, а просеки — не менее чем на 20 м.

На пологих и наклонных пластах допускается проведение транспортного штрека по углю одним забоем с лавой или с опережением не менее 100 м.

Выемка угля в очистных забоях пологих и наклонных выбросоопасных пластов должна, как правило, производиться стругами или узкозахватными комбайнами, как обеспечивающие выемку в разгруженной и дегазированной призабойной зоне пласта, формирование которой в основном завершается в течение трех часов после выемки. На этом основании выемка угля узкозахватными комбайнами должна производиться по односторонней схеме.

Существенное влияние на безопасность выемки угля оказывает скорость подачи комбайна. С увеличением скорости подачи возрастает сейсмоакустическая активность пласта, свидетельствующая о возрастании выбросоопасной ситуации в забое. Так проведенными на шахте «Изваринская» ПО «Гуковуголь» исследованиями установлено, что для пласта i₂ безопасная скорость подачи комбайна составляла 0,7 м/мин. При увеличении ее до 1 м/мин и более в лаве начинали происходить внезапные выбросы угля и газа. Понятно, что для каждого пласта максимально допустимая скорость подачи комбайна может быть различной, что требует проведения соответствующих исследований.

Выемку на крутых выбросоопасных пластах мощностью свыше 0,7 м следует производить лавами по падению с применением щитовых агрегатов, а также лавами по простиранию с диагональным расположением забоя и дистанционным управлением комбайном. Оба забоя исключают возможность обрушения угля в забое, которые нередко перерастают в собственно внезапные выбросы.

В тех случаях, когда горно-геологические условия не позволяют применять выемку щитовыми агрегатами или комбайнами, допускается выемка отбойными молотками в потолкоуступных забоях. Расстояние между уступами не должно превышать 3 м на пластах мощностью до 1 м и 4 м для пластов большей мощности.

Управление кровлей в очистных забоях выбросоопасных пластов должно производиться полным обрушением или полной закладкой.

Закладка выработанного пространства на крутых пластах должна осуществляться дробленой породой на всю высоту этажа без оставления пустот. Шаг закладки должен составлять 1,8–3,6 м при сухой закладке и 4,5–7,2 м при гидравлической. Максимальное расстояние от закладочного массива до забоя не должно превышать 11 м.

13.4. Особенности разработки пластов,
склонных к горным ударам

В угольных шахтах имеют место явления в известной степени сходные с внезапными выбросами угля и газа. Они получили название горные удары.

Горный удар — это быстро протекающее разрушение угольного (породного) массива, прилегающего к горной выработке, возникающее вследствие мгновенного превращения накопленной в нем потенциальной энергии упругого сжатия в кинетическую энергию, сопровождающееся выбросом угля (пород) в горную выработку, ее разрушением, сильным звуковым эффектом и возникновением мощной воздушной волны. Иногда горные удары сопровождаются сотрясением массива, ощущаемым на земной поверхности в радиусе до 10 км.

Горные удары имеют место во многих горнодобывающих районах мира. В Украине они наблюдаются в Донецком бассейне, начиная с 1973 года. За период с 1973 г. по 1997 г. зарегистрировано 35 горных ударов, причем все они (кроме одного) произошли на шахтах Центрального района Донбасса с крутым залеганием пластов. При этом 66% горных ударов произошли при выемке угля отбойными молотками, 33% — при механизированной выемке и 1 горный удар — при бурении разгрузочных скважин.

В формировании и проявлении ударов участвуют два фактора: повышенное горное давление и склонность угля к хрупкому разрушению. Повышенное горное давление обусловливается большой глубиной разработки, а также наличием зон повышенного горного давления от целиков угля и краевых частей соседних пластов.

Прочность угля пластов, склонных к горным ударам, на одноосное сжатие sсж составляет 6–10 МПа. При небольшой мощности пластов (тонкие и весьма тонкие) краевые части их деформируются в условиях, приближающихся к объемному сжатию, вследствие чего возрастает устойчивость к горному давлению, в них могут накапливаться большие запасы потенциальной энергии, и в момент нарушения равновесия сил горного давления и бокового отпора проявляются горные удары.

Четко выраженных предупредительных признаков, предшествующих горному удару, не наблюдается. Иногда ударам предшествуют увеличение горного давления, шум в массиве, пучение почвы и др.

Существующая классификация подразделяет горные удары на стреляния, толчки, микроудары и горные удары большой интенсивности.

Стреляние проявляется в виде отскакивания от стенки массива (целика) отдельных кусков угля или породы.

Толчки проявляются в виде разрушения пласта в массиве и сопровождаются сотрясением горного массива (без выброса угля). При толчках возможно осыпание угля со стенок выработки, образование пыли и воздушной волны.

При микроударах происходят разрушение и незначительный выброс угля в горные выработки без нарушения крепи, сопровождающиеся резким звуком, образованием пыли и сотрясением массива горных пород.

Горные удары большой интенсивности сопровождаются резким звуком, сотрясением, образованием пыли и разрушением крепи.

По месту проявления различают горные удары в целиках, в краевой части угольного массива и в горных выработках, проводимых по пласту угля или в боковых породах.

Каждая из отмеченных форм проявления горных ударов отличается условием образования зон опорного давления, что определяет характер и интенсивность проявления горного удара.

Согласно "Инструкции по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих пласты, опасные по горным ударам", полное разрушение целика в результате горного удара может произойти при его ширине

где l_оп – ширина зоны опорного давления, м.

Целики шириной менее 0,1l_оп не опасны по горным ударам. При ширине более 0,4l_оп они разрушаются, как правило, в сторону очистного забоя или в сторону охраняемой целиками выработки.

Поскольку проявление горных ударов возможно лишь при повышенном горном давлении и способности угля (породы) накапливать и внезапно высвобождать упругую энергию, то меры борьбы с горными ударами должны предусматривать возможность устранения одного или обоих из этих условий.

Для предотвращения горных ударов применяются те же мероприятия, что и при борьбе с внезапными выбросами угля и газа.

К основным мероприятиям относятся:

– опережающая разработка защитных пластов;

– ведение горных работ без оставления целиков угля на всех сближенных пластах;

– нагнетание воды в пласт;

– камуфлетное взрывание.

В качестве защитных мер применяют специальный режим ведения буровзрывных работ, дистанционное управление выемочными и проходческими машинами, выемку опасных пластов без присутствия людей в очистном забое, проведение выработок широким ходом.

Наиболее эффективным защитным мероприятием является опережающая разработка защитных пластов. Правила безопасности требуют первоочередной отработки без оставления целиков защитных пластов, залегающих на расстоянии не более 0,5h от опасного пласта при подработке или не более 0,3h при надработке (h – наклонная высота этажа в защищаемом пласте).

При разработке сближенных пластов необходимо применять групповую подготовку с проведением выработок по породе или по неопасным пластам. Подготовку сближенных пластов осуществляют полевыми штреками, пройденными по прочным породам лежачего бока, и промежуточными квершлагами. Для пологих и наклонных пластов вместо квершлагов можно применять гезенки. Выработки по удароопасному пласту рекомендуется проводить без оставления целиков с возведением бутовых полос, то есть проводить их широким забоем. Для отработки тонких и средней мощности удароопасных пластов следует применять сплошную систему разработки лава-этаж без оставления охранных целиков около выработок. Применение столбовой системы при отработке удароопасных пластов допускается в порядке исключения с обязательным проведением защитных мероприятий.

При ведении очистных работ на удароопасных пластах не рекомендуется допускать встречное движение очистных забоев, а также опережение нижних подэтажей верхними, так как в этих случаях создаются условия для повышенных концентраций напряжений и проявления горных ударов. Очистные забои на удароопасных пластах должны быть прямолинейными. Допуск людей в забой разрешается через 25–30 мин после проведения взрывных работ.

Поддержание выработок на границе с выработанным пространством рекомендуется проводить с помощью бутовых полос и податливой крепи. При поддержании целиками их размеры должны быть достаточно большими, что нецелесообразно при глубине разработки от 400 м.

Разработку мощных пластов, опасных по горным ударам, ведут наклонными слоями в нисходящем порядке. При этом, чем опаснее пласт, тем меньше должна быть мощность первого слоя, отрабатываемого с применением защитных мероприятий. Остальные слои могут иметь большую мощность и отрабатываться как неопасные.

При разработке тонких и средней мощности пластов желательно применять полную или плотную частичную закладку. При управлении кровлей полным обрушением шаг обрушения должен быть минимальным (через каждый цикл). В случае зависания кровли следует применять ее искусственное обрушение.

Ведение очистных работ в местах тектонических нарушений, а также при подходе к ним на расстояние не более 10 м должно сопровождаться применением специальных защитных мероприятий.

Вопросы для самоконтроля

1. По каким направлениям ведется борьба с выбросами угля и газа? Поясните, какие конкретно цели преследует каждое из этих направлений.

2. Какие пласты и почему называются защитными? Может ли в качестве защитного пласта приниматься выбросоопасный?

3. Как влияет ширина выработанного пространства на эффективность защитного действия пласта? Дайте пояснения.

4. Какая разница между эффективной и критической мощностью защитного пласта? Дайте их определение.

5. Укажите величину минимально допустимого опережения защитного пласта по отношению к забоям на выбросоопасном при надработке и подработке, если расстояние между пластами составляет 30, 17 и 52 м.

6. В каких случаях и почему ограничивается величина допустимого опережения в разработке защитного пласта по отношению к опасному?

7. Как следует вести разработку защитного пласта по отношению к опасному, если a ³ L₁+L₂ и если а < L₁+L₂?

8. Какие системы разработки рекомендуется применять на незащищенных выбросоопасных пластах и почему?

9. Почему на выбросоопасных пластах необходимо применять узкозахватную или струговую выемку в очистном забое?

10. В чем заключается идея ограничения скорости подачи комбайна, как способа предупреждения возникновения выбросов в очистном забое?

11. Какова природа горных ударов?

12. Как классифицируются горные удары?

13. Назовите основные мероприятия по предупреждению горных ударов при подземной добыче угля.

Глава 14. РАЗРАБОТКА ПЛАСТОВ, СКЛОННЫХ К САМОВОЗГОРАНИЮ УГЛЯ

Общие сведения

Угли некоторых пластов имеют склонность к самовозгоранию в результате окисления кислородом воздуха. Возникающие при этом пожары характеризуются появлением в выработках открытого огня, дыма, запаха гари, газов водорода, окиси углерода и др. Пожары представляют серьезнейшую опасность для работающих в забоях, могут приводить к взрывам газа и угольной пыли и вызывают значительный материальный ущерб. Поэтому мероприятия по предупреждению самовозгорания угля имеют весьма важное значение.

Физическими условиями самовозгорания угля являются: химическая активность его, наличие скоплений измельченного угля в выработанном пространстве или развитая сеть трещин в целиках и массиве, приток воздуха и затрудненная отдача тепла в окружающую среду.

В процессе самовозгорания угля выделяют три стадии: самонагревания, самовозгоранияигорения.

Стадия самонагревания угля протекает в интервале температур от 20–50°С до критической 70–140°С. Продолжительность ее определяется инкубационным периодом самовозгорания угля, который колеблется от нескольких месяцев до нескольких дней.

Стадия самовозгорания характеризуется интервалом температур от критической до температуры воспламенения летучих веществ 300–350°С для каменного угля и 650–800°С для углей тощих.

Стадия горения протекает при температуре воспламенения летучих веществ.

Пожары наблюдаются как в подготовительных выработках, так и в выработанном пространстве очистных забоев. В подготовительных выработках пожары происходят в зонах геологических нарушений, в пустотах за крепью, а также после внезапных выбросов. В выработанном пространстве пожары возникают вследствие наличия в нем измельченного угля, оставленных и разрушенных в краевой части целиков, а также вследствие обрушения угольных пропластков, залегающих в кровле пласта (а на крутых пластах и в почве), склонных к самовозгоранию.