Выбросы дутьего метана и их контроль и обычные; 2. Удар; 3. Внезапный выброс с выбросом угля, а иногда и камня

СУФЛЯР (французским soufflard, от souffler — дышать, дуть * а. fumarole, puffing hole, spouting hole, blower, feeder; н. Gasblaser, Blaser; ф. soufflard, souffleur; и. escape instantaneo de grisu, escape instantaneo de gas) — локальные выделения газа из природных или эксплуатационных трещин в горных выработках с дебитом не менее 1 м3/мин. Выделяют суфляры природные и эксплуатационные.

Природные суфляры приурочены к зонам тектонических нарушений с широко развитой системой открытых трещин, распространённых на огромной площади (по падению и простиранию слоев). Эксплуатационные суфляры возникают в выработанном пространстве, в подготовительных выработках и очистных забоях при возникновении трещин за счёт перераспределения горного давления. С увеличением глубины частота встречаемости суфляров возрастает. В зависимости от вида разрабатываемого полезного ископаемого газовый состав суфляров представлен: метаном (иногда с примесью тяжёлых углеводородов, азота, углекислого газа, водорода); углекислым газом — на угольных шахтах; углекислым, углеводородными и азотными газами — на рудных шахтах.

Глубина появления суфляров на угольных шахтах обычно приурочена к зоне метановых газов (верхней границе или несколько ниже). В зависимости от приуроченности к пластам с различной газоносностью или другим коллекторам газа суфляры проявляются по-разному. При небольших запасах газа суфляры действуют кратковременно, при значительных — десятки лет, выделяя при этом несколько млн. м3 метана (угольные шахты). При невозможности снизить концентрацию суфлярных газов в шахтном воздухе до требуемых норм с помощью средств вентиляции производится каптаж суфляров. Заключается он в изоляции выходов газа специальными металлическими колпаками, заглубляемыми в поверхность выработки и герметизируемыми по периметру бетоном, глиной; продольными деревянными перекрытиями, герметизируемыми смесью жидкого стекла, извести и воды (при проявлении суфляров на протяжённом участке выработки); пенопластом или синтетической плёнкой. В первых двух случаях из перекрывающих конструкций газ отводится через специальные патрубки (и шланги) в трубопровод. При недостаточной эффективности вышеупомянутых способов каптажа отвод газов из очагов формирования суфляров осуществляется с помощью дренажных скважин. В случае невозможности локализации суфляров данный участок выработки изолируют герметизирующей перемычкой, а газ изолированного участка отводят.

В угольных шахтах в зависимости от регламентируемых условий выделяются пласты, опасные по суфлярам.

Обыкновенное выделение метана происходит из мелких пор и трещин по всей поверхности пласта, из отбитого угля и боковых пород. Выделение происходит медленно, но непрерывно, оно сопровождается шорохом, легким потрескиванием и шипением. Метановыделение из обнаженной поверхности пласта и из отбитого угля описывается равенством

I(t)=I0*е-кt; м3/мин (2.1)

где I(t)– метановыделение из отбитого угля или свежеобнаженной поверхности пласта через t минут после обнажения;

I0– метановыделение в начальный момент после обнажения пласта или отбойки угля;

е– основание натурального логарифма;

к– экспериментальный коэффициент, характеризующий физико-механические свойства пласта;

t- время, прошедшее с момента обнажения пласта или отбойки угля, мин.

Однако, динамика выделения метана из отбитого угля и обнаженной поверхности пласта различны. Дегазация отбитого угля практически заканчивается через 2-3 часа после отбойки, а обнаженной поверхности пласта через 2-3 месяца после обнажения.

Обыкновенное метановыделение неравномерно во времени и зависит от многих факторов: работы выемочных механизмов, ведения взрывных работ, посадки пород кровли, ведения работ по дегазации, режима проветривания участков и т. д. Неравномерность метановыделения характеризуется коэффициентом неравномерности, который равен отношению максимального метановыделения к среднему т.е.

Для условий Донбасса Кн=1.43-2.14

Исследованиями МакНИИ доказано, что метановыделение в исходящей струе очистного забоя и выемочного участка является случайной во времени величиной. В этом случае, с достаточной для практики точностью, максимальное и среднее метановыделение можно определить на основе использования нормального закона распределения случайной величины, согласно которому

-среднеквадратичное отклонение измеренных величин метановыделения Для определения величин Imax и

в исходящей струе участка и очистного забоя необходимо провести 3-х суточные наблюдения с интервалом замеров концентрации метана и расхода воздуха 30 мин.

Суфлярные выделения метана – это выделение метана в больших количествах с характерным шумом из видимых на глаз трещин и пустот в боковых породах и угольных пластах. Действие суфляров может быть кратковременным, но обычно длительно, даже до нескольких лет. Различают суфляры первого и второго рода. К суфлярам первого рода относятся суфляры геологического происхождения, которые, как правило, приурочены к зонам тектонических нарушений.

К суфлярам второго рода относят суфляры горно-производственного характера. Эти суфляры происходят в результате частичной разгрузки пластов и пропластков угля, залегающих в почве и кровле рабочих пластов в зоне влияния горных работ.

Опасность суфляров заключается в том, что они проявляются внезапно, при этом в короткий промежуток времени, возможно, образование взрывоопасных концентраций метано – воздушной смеси в большом объеме. Для борьбы с суфлярами осуществляется предварительная дегазация массива путем применения передового бурения, опережающей отработки защитных пластов, соответствующего способа управления кровлей, увеличивается количество воздуха, подаваемое в опасные по суфлярам выработки, производится каптирование газа. При каптировании газа у устья суфляра сооружается герметичный киоск (из кирпича или шлакоблока), из которого газ по трубопроводу отводится либо в общую исходящую струю крыла, шахты или на поверхность.

Внезапные выделения метана происходят при различных газодинамических явлениях, к которым относят:

Внезапные выбросы угля и газа;

Внезапные высыпания, переходящие во внезапные выбросы на крутых пластах;

Внезапные прорывы газа с небольшим количеством угольной мелочи;

Горные удары с отжимом угля и попутным газовыделением;

Высыпание и обрушение угля с попутным газоваделением;

Обрушение основной кровли с интенсивным выделением газа в выработанном пространстве;

Возникающие при сотрясательном взрывании на крутых пластах высыпания угля, переходящие во внезапные выбросы угля и газа;

Возникающие при взрывании горного массива выбросы породы с попутным газовыделением.

Из перечисленных выше газодинамических явлений наиболее опасным является внезапные выбросы угля и газа. При внезапном выбросе из угольного пласта в выработку за короткий промежуток времени (несколько секунд) выделяется большое количество газа и выбрасывается значительное количество угольной, а иногда и породной мелочи. В 1973 году на шахте им Гагарина в г. Горловке при выбросе выделилось до 180 тыс. м3 метана и было вынесено в выработку до 14 тыс. тонн угля.

Природа и механизм внезапных выбросов до настоящего времени досконально не изучены. В настоящее время наиболее признанной является гипотеза, согласно которой внезапный выброс происходит под комплексным действием горного давления напряженного состояния угольного массива и давления газа.

содержание   .. 

20   

23 

24 

25 

26 

27 

28 

  30 
..

6.4. ОСОБЕННОСТИ ПРОВЕДЕНИЯ ВЫРАБОТОК В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ

Под сложными условиями понимают суфлярные (концентрированные и интенсивные
выделения метана в выработку), внезапные выбросы угля (соли), породы и
метана, внезапные обрушения и горные удары.

Для борьбы с суфлярными выделениями метана применяют дегазацию массива и
изолированный отвод газа из суфлярных источников. Способы дегазации угольных
пластов, вмещающих пород и выработанных пространств рассмотрены ниже.
Изолированный отвод метана из суфлярных источников производят путем
установки колпаков (улавливающих головок), шлангов и каптажных труб.
Последние подключают к дегазационной сети.

В последние годы в подготовительных выработках угольных шахт происходит от
22 до 41 % общего числа внезапных выбросов. В качестве мер безопасности при
проведении подготовительных выработок по выбросоопасным пластам применяют:
прогноз выбросоопасности; способы предотвращения выбросов; проведение
выработок в массиве, подвергшемся разгрузке от горного давления в результате
первоначальной отработки смежных, так называемых защитных пластов;
специальные технологию и организацию работ; мероприятия по обеспечению
безопасности рабочих.

Прогноз выбросоопасности осуществляют с критической глубины, т. е. глубины
ведения горных работ, ниже которой возможно возникновение внезапного
выброса. Критическая глубина колеблется от 150 м в Кузбассе до 400 м на
Воркутинском месторождении. Прогноз в месте вскрытия пласта выработкой
вначале осуществляют путем бурения разведочных скважин. Затем при подходе
забоя вскрывающей выработки на расстояние не менее 3 м по нормали к пласту
бурят другие разведочные скважины, через них отбирают пробы угля и замеряют
давление метана в пласте.

Ниже критической глубины периодически осуществляют определение
выбросоопасности пласта или отдельных его частей— локальный прогноз. При
проведении подготовительных выработок на выбросоопасных пластах производят
текущий прогноз, т. е. прогноз в процессе проведения выработки для
определения выбросоопасных зон.

Способы предотвращения внезапных выбросов угля и газа делят на региональные
и локальные. К первым относят дегазацию угольных пластов и их увлажнение
через длинные (более 15—20 м) скважины диаметром 45—110 мм, ко вторым —
различные виды гидрообработки призабойной зоны угольного пласта через
короткие шпуры, образование разгрузочных полостей, бурение опережающих
скважин и торпедирование массива взрывными зарядами.

Гидрорыхление угольного пласта применяют при проведении выработок по тонким
и средней мощности пластам в тех случаях, когда возможно бурение шпуров на
заданную глубину и нагнетание через них в пласт воды. Из забоя по угольному
пласту бурят не менее двух нагнетательных скважин. Длину скважин диаметром
43—45 мм принимают равной 6—11 м.

В скважину вставляют герметизатор, предотвращающий выход воды из скважины
при нагнетании. Глубину герметизации скважины принимают равной 4—8 м, считая
от забоя. Объемную скорость нагнетания воды принимают не менее 3 л/мин в
расчете на одну скважину, удельный объем воды, приходящийся на 1 т угля в
массиве,— не менее 20 л. Давление нагнетания воды при гидрорыхлении обычно
равно 8—35 МПа.

Другой локальный способ борьбы с внезапными выбросами угля и газа в
подготовительных выработках — устройство разгрузочных щелей. Способ
используют при проведении выработок с помощью буровзрывных работ или
комбайнов избирательного действия.

В МГИ разработан физико-химический способ снижения выбросоопасности пласта
при проведении выработок в режиме сотрясательного взрывания на основе
укрепления массива полимерными соединениями. Нагнетание в пласт
мочевино-формаль-дегидной смолы совместно с отвердителями (хлористый
аммоний, щавелевая или соляная кислота в жидком состоянии) производят через
две или три опережающие забой скважины длиной 6—10 м. Расход жидкости при
нагнетании составляет 0,2—0,3 м3/ч. В каждую скважину в зависимости от
размеров зоны физико-химического воздействия, пористости и трещиноватости
угля нагнетают 0,4—0,6 м3 раствора при давлении 12— 18 МПа. Через 0,3—2 ч
смола в пласте затвердевает и упрочняет его. Размер упрочненной зоны по
направлению движения выработки составляет 8—10 м, в боках — 2—2,5 м. При
удельном расходе раствора 15—30 л/т предел прочности угля на сжатие
возрастает в 1,4—1,8 раза, различие в прочностных характеристиках различных
пачек угля снижается в 3 раза, уменьшается начальная скорость
метановыделения из угля при его разрушении.
Борьба с выбросами породы и газа при проведении выработок предусматривает
применение сотрясательного взрывания с повышенным расходом взрывчатых
веществ и полным выводом рабочих за пределы возможного опасного действия
выброса, проведение выработок уменьшенной площадью поперечного сечения с
последующим его расширением до проектного, гидроотбойку массива, образование
разгрузочной щели, использование контурного взрывания.

Борьбу с горными ударами, происходящими в виде быстрого, порой практически
мгновенного разрушения массива угля или породы, проводят в направлении
уменьшения действующих в массиве напряжений Горные удары проявляются в забое
выработки и в целиках, оставленных по контуру выработки, а также вблизи
геологических нарушений. Прогноз уда-роопасности массива проводят по выходу
буровой мелочи при бурении скважин, сейсмоакустической активности, влажности
и прочностным свойствам массива. По результатам прогноза определяют
категорию удароопасности пласта. По методике ВНИМИ различают четыре
категории удароопасности участка пластов: I — особо опасен; II—опасен; III —
непосредственной опасности нет, но требуется периодический контроль степени
выбросоопасности; IV— неудароопасен.

Борьба с выделениями и взрывами метана

В шахтах, опасных по газу (т. е. в таких, в которых хотя бы на одном пласте обнаружен метан), необходимо соблюдать специаль­ный режим, одно из основных требований которого заключается в разжижении выделяющегося метана до безопасных концентраций. Правилами безопасности установлены следующие предельные кон­центрации метана (в процентах по объему):

Запрещается приступать к заряжанию шпуров и производить взрывные работы при содержании в забое, а также в примыкающих к нему выработках на протяжении 20 м от него и в местах укрытия взрывника 1 % метана и более.

Если в отдельных местах образуются скопления метана, достига­ющие 2%, то работы прекращаются, и возобновлять их разрешается только после снижения содержания метана до 1%.

В течение целого ряда десятилетий разбавление метана до допу­стимых норм (хотя сами нормы неоднократно менялись) осуществля­лось главным образом вентиляционными средствами. Однако в по­следние годы в связи с переходом на разработку глубоких горизонтов и интенсификацией процессов добычи угля газообильность шахт так возросла, что обычные методы вентиляции не могут обеспечить сни­жения концентрации до установленных норм. Вследствие этого возникла необходимость управления газовыделением с целью умень­шения общего количества выделяющихся в выработки газов, регули­рования выделения во времени, а также предупреждения или умень­шения интенсивности суфлярных выделений и внезапных выбросов.

Наиболее распространенным способом сниже­ния газообильности угольных шахт является дегазация разрабаты­ваемых и сближенных угольных пластов и выработанных прост­ранств, представляющая собой комплекс мероприятий по сбору и обособленной выдаче из шахты концентрированных метано-воздуш-ных смесей. Дегазацию начали применять в СССР с 1952 г., и она быстро получила распространение.

В настоящее время дегазация (или изолированный отвод метана) применяется практически на всех шах­тах, количество отсасываемого или отводимого метана достигает 1,4 млн. м3/сутки, а в 2010 г. составит около 2,5 млн. м3/сутки.

Отсасываемый метан используется пока явно недостаточно, всего на 10 —15%. Он применяется главным образом для нагрева паровых котлов в шахтных котельных.

В шахтах России применяются три основные группы способов дегазации:

а) дегазация угольных пластов и вмещающих пород без использования эффекта разгрузки от горного давления;

б) дегазация подрабатываемых и надрабатываемых смежных угольных пластов и вмещающих пород с использованном эффекта разгрузки от горного давления;

в) отсос метано-воздушных смесей из выработанных про­странств.

Каждая группа подразделяется на ряд схем и вариантов в зависимости от горнотехнических условий разработки, геологиче­ских особенностей месторождений, газопроницаемости пластов, нали­чия сближенных пластов и т. п.

Дегазация угольного пласта до начала очистных работ иногда производится путем отсасывания газа из предварительно проведен­ных и затем изолированных герметизирующими перемычками подго­товительных выработок. При этом для удаления газа через перемычки пропускается газопровод. Этот способ дегазации рекомендуется при­менять только при высокой газопроницаемости пласта. Срок дегаза­ции от 8 до 12 месяцев.

В настоящее время Московским горным институтом проведены

лабораторные и натурные исследования по предварительной дегаза­ции с

направленным гидравлическим расчленением пластов, осуще­ствляемой с

земной поверхности до проведения горных работ и без связи с ними.

Сущность этого метода заключается в том, что на участки дегазируемых

пластов проводятся на расстоянии 250—300 м одна от другой буровые

скважины (или используются скважины гео­логоразведочного бурения), через

которые производится гидрорасчле­нение пласта. Для направленного

введения рабочей жидкости в пласте абразивным гидроперфоратором

создается щель высотой 30—40 мм, радиусом от 1 до З м. Закачка жидкости

ведется с медленным нараста­нием расхода до 125 л/сек. При этом вокруг

скважины па расстоянии порядка 100 м происходит раскрытие трещин.

Общий расход жидкости при закачке достигает 900 м3, песка 30—40 т.

После откачки из скважины жидкости начинает выделяться газ, причем среднесуточный дебит равен 1000—4000 м3, а в отдельные сутки доходит до 6000 м3.

После дегазации таким способом пласта K 12 (Караганда) газо­обильность выработок при его выемке была в 4—6 раз меньше, чем ожидалось без дегазации, и в 2—3 раза меньше газообильности выра­боток в аналогичных условиях, но при дегазации с помощью восста­ющих скважин, пробуренных по пласту. Для сокращения срока дега­зации рассматриваемым способом рекомендуется применять испаря­ющиеся при атмосферных условиях и пластовых температурах жидкости (например. СО2). При дегазации с земной поверхности скважины дают почти чистый метан, что облегчает его рацио­нальное использование и способствует окупаемости дегазацион­ных работ.

С использованием эффекта разгрузки от горного давления осуще­ствляется дегазация сближенных угольных пластов, т. е. газонос­ных пластов, залегающих на таком расстоянии от разрабатываемого, на котором происходят обрушение пород, разгрузка дегазируемого пласта от горного давления и повышенная газоотдача. Выделя­ющийся газ отсасывается через специальные скважины, пробуренные с вентиляционного (иногда с откаточного) штрека. Скважины эти должны пересекать дегазируемый пласт на границе зоны обрушения, где оседание пород происходит с образованием пустот, которые за­полняются газом. Поскольку успех дегазации зависит от правильной ориентировки дегазационных скважин, азимут, угол наклона и про­ектная глубина скважин определяются на основании точных марк­шейдерских данных.

Дегазация угольных пластов позволяет вести очистные работы на пластах, отличающихся высокой метанообильностью. Однако в последнее время возникают большие трудности при проведении подготовительных выработок, так как работы эти ведутся в основном еще до начала дегазации и в ряде случаев газовыделение в выработки достигает 6,0—7,5 м3’мин. Разжижение таких количеств газа свежей вентиляционной струей требует подачи в выработки громадных количеств воздуха. С целью создания безопасных условий проходки в настоящее время применяется ограждающая дегазация.

При проведении выработок по углю часто в их подкровельной части

образуются так называемые слоевые скопления метана, содержа­ние которого в

смеси с воздухом достигает 2% и более. Границей между воздушной струей и

слоем метано-воздудшной смеси принято считать поверхность с

концентрацией СН4 2%. Протяженность слоевых скоплений обычно 20—40 м.

но иногда достигает 100 м и более. Загазованию подвергаются обычно

призабойные части штре­ков, а также места геологических нарушений, зоны

трещиноватого угля и т. п.

Борьба со слоевыми скоплениями ведется путем увеличения скорости движения вентиляционной струи, прижа­тием воздушного потока к кровле выработки при помощи паруса, перекрывающего нижнюю часть выработки, и обеспечением деятель­ного перемешивания воздуха е кровле выработки. Последнее дости­гается при помощи сжатого воздуха, вытекающего из трубопровода через специальные отверстия.

Борьба с суфлярами. Суфлярные выделения часто вынуждают прекращать работу в забое и отводить газ по специаль­ному трубопроводу в исходящую струю шахты или по скважине на поверхность. После того как суфлярное выделение прекратится, работы возобновляются.

Если дебит суфляра невелик, то в ряде случаев возможно продол­жать проходческие работы при условии подачи достаточного коли­чества воздуха для разжижения выделяющегося метана и принятия мер против образования слоевых скоплений.

В тех случаях, когда на разрабатываемом месторождении суфляр­ные выделения связаны с тектоническими нарушениями или зонами трещиноватых, раздробленных пород, лучшей мерой борьбы с суфля­рами следует считать бурение специальных разведочных скважин при приближении забоя выработки к нарушению или к зоне трещиноватости. После вскрытия суфляра разведочными скважинами про­буриваются специальные дренажные скважины, через которые газ отводится на поверхность.

Вторичные суфляры вызываются производственными процессами, возникают неожиданно и к ним трудно заранее подготовиться. Спо­собы борьбы в этом случае зависят от характера выделения. Так, при возникновении суфляра и виде трещины, образовавшейся в ночве призабойного пространства лавы в результате разгрузки пород от горного давления, трещину закрывают швеллерами или рештаками, уплотняемыми бетонным покрытием. После этого выделяющийся метан отсасывается и выдается по трубам в исходящую струю или на поверхность.

Борьба с внезапными выбросами. Наиболее действенным способом борьбы с внезапными выбросами является разработка опасных и угрожаемых пластов после предварительной выемки защитных, т. е. залегающих выше или ниже выбросоопасных на таком расстоянии, при котором разработка их обеспечивает раз­грузку опасных и угрожаемых пластов. При пологом падении защит­ными являются пласты, залегающие выше опасных на расстоянии до 45 м по нормали и ниже опасных до 100 м. При крутом падении защитными считаются пласты, залегающие не более чем в 60 м по нормали выше или ниже опасного, если опытом не установлено защитное действие на большем расстоянии. Если имеются защитные пласты выше и ниже опасных, то в первую очередь разрабатывается вышележащий.

Правилами безопасности регламентированы порядок проведения откаточного штрека и величина опережения им очистного забоя на крутых пластах, опасных по выбросам; восстающие выработки разре­шается проходить только сверху вниз по предварительно пробурен­ным опережающим скважинам; установлен также порядок вскрытия опасных пластов квершлагами. В последнем случае опасность внезап­ного выброса особенно велика, вследствие чего при подходе забоем квершлага к пласту на расстояние 10 м обязательны бурение двух передовых скважин длиной не менее 6 м, уменьшение площади попе­речного сечения квершлага до 5 м2, предварительное проведение вы­работки, соединяющей квершлаг с вентиляционным горизонтом, для отвода газа при внезапном выбросе.

При проведении выработок по углю для предупреждения внезап­ных выбросов бурят опережающие скважины диаметром 250—300 мм; в некоторых случаях применяют опережающую крепь, предохрани­тельные щиты и другие меры защиты.

В соответствии с Правилами безопасности, взрывные работы по углю на пластах, опасных по внезапным выбросам угля и газа, при очистных работах и проведении горизонтальных и наклонных выра­боток должны вестись только в режиме сотрясательного взрывания, т. е. взрывания усиленным зарядом ВВ с соблюдением целого ряда установленных мер безопасности.

Поскольку сотрясательное взрывание может вызвать выброс большой интенсивности, нарушающий нормальную работу шахты, а иногда после него возникают запоздалые выбросы, в последние годы исследуется эффективность так называемого камуфлетного взрывания, которое лишь разрыхляет массив, увеличивает зону раз­грузки и предотвращает опасность развития внезапного выброса.

Чтобы предупредить внезапные выбросы пород, которые, как указывалось, возникают обычно при ведении проходческих работ по пластам песчаника, рекомендуется располагать выработки ближе к почве или кровле пласта, так как наиболее выбросоопасной яв­ляется его средняя часть. Для уменьшения опасности выброса реко­мендуется: производить предварительное увлажнение породного массива, которое уменьшает напряжения в призабойной части; при­менять разгрузочные щели, предварительную отработку защитных пластов (когда это возможно), охлаждать призабойную часть мас­сива, проводить выработки уменьшенным сечением с последующим расширением их до проектного.

Суфлярные выделения;

III От 10 до 15 Сверхкатегорные Свыше 15

II От 5 до 10

Категория шахт Относительная газообильность, м3/т

Абсолютная и относительная метанообильность с увеличением глубины разработки, как правило, возрастает, вследствие чего переход на разработку более глубоких горизонтов, а также интенси­фикация угледобычи приводят к увеличению числа сверхкатегорных шахт, количество которых в настоящее время достигает в России около 40 % общего числа действующих шахт. По основным каменно­угольным бассейнам процент сверхкатегорных шахт следующий: Донецкому — 50, Кузнецкому — 52, Печорскому — 67 %.

Относительная газообильность в целом ряде сверхкатегорных шахт Кузбасса, Донбасса и Печоры превышает 50 м3/т.

Как указывалось, с увеличением глубины разработки газовыде­ление, а следовательно, и газообильность шахт возрастают. Интен­сивность нарастания относительной газообильности количественно оценивается ступенью метанообилъности, под которой понимают расстояние по вертикали между двумя горизонтами одного и того же пласта, относительная газообильность которых отличается на 1 м31т суточной добычи.

Ступень метанообильности Нм изменяется в зависимости от свойств угля и вмещающих пород, угла падения и ряда других факторов не только для одного месторождения, но даже для одного и того же пласта. Значение ступени метанообильности находится в пределах от 5 до 30 м.

Определив ступень метанообильности по действующим шахтам, можно рассчитать ожидаемую метанообильность на горизонтах, зале­гающих ниже наиболее глубоких из них на 100—200 м по вертикали, при условии, что горнотехнические условия остаются неизменными. Расчет производят по формуле

q = 2 + _Н – Но

Где: q — искомая газообильность шахты на глубине Н от поверхности»

Но — глубина зоны метанового выветривания — расстояние от поверхности до горизонта, на котором относительная мета­нообильность равна 2 м3/т. Нм — ступень метанообильности, м/м3/т.

В настоящее время разработана подробная методика прогноза метанообильности по данным, полученным при геологоразведочных работах. Эта методика изложена в специальной инструкции по прогнозу метанообильности, положена в основу «Временной инструк­ции по расчету количества воздуха, необходимого для проветривания угольных шахт».

Газовыделение в шахтах происходит неравномерно в течение суток, что объясняется разной интенсивностью метановыделения при выполнении различных операций, а также влиянием на выделе­ние газа изменения барометрического давления. Колебания газового дебита бывают обыкновенные и экстренные.

Обыкновенные колебания возникают под влиянием процессов, сопровождающихся измельчением угля. Как правило, повышение дебита метана наблюдается при подрубке угля в очистных забоях, при взрывных работах по углю и т. п. На общешахтном балансе газовыделения эти колебания отражаются обычно незначительно, но в очистных забоях в зависимости от мощности пластов, коэффи­циент неравномерности, которым определяются колебания газового дебита, достигает величины 1,3—1,6. При этом в ряде случаев проис­ходит загазирование выработок сверх допускаемых норм.

Экстренные колебания газовыделения возникают главным обра­зом под влиянием быстрого изменения барометрического давления. На эти колебания было обращено внимание еще около 100 лет тому назад, так как они нередко служили причиной шахтных аварий. Так, в 1878 г. в Англии депутат от одного из каменноугольных округов Говен доложил палате общин, что взрывы метана происхо­дили одновременно в нескольких соседних копях и часто совпадали с резкой переменой погоды.

Газовыделения, возникающие при быстром падении барометри­ческого давления, объясняются тем, что свободный газ, находящийся в старых выработках, пустотах, имеющихся в выработанных про­странствах, трещинах в угле и породах и т. п., начинает перетекать из области большего давления в область меньшего, т. е. в выработки, где может достигнуть опасных концентраций.

В современных крупных шахтах иногда возникают значительные газовыделения метана вследствие нестационарности дебита вентиля­ционных струй участков. Наблюдения показывают, что газовыделе­ние резко возрастает чаще при увеличении дебита, по-видимому, за счет более интенсивного выноса метана из выработанного про­странства.

Некоторые особенности имеет газовыделение в гидрошахтах. Эти особенности заключаются в том, что в начальный момент увлаж­нения метановыделение резко увеличивается, но затем через не­сколько минут снижается. В среднем метанообильность гидрозабоев при проведении выработок и очистной выемке несколько выше, чем забоев с обычной технологией.

При остановке гидромонитора газовыделение с поверхности мок­рого забоя в течение первых 12 ч в 2—2,5 раза меньше, чем с забоя выработки, проводимой отбойными молотками, а газовыделение с не­подвижных угольных стенок в выработках, проводимых гидроспосо­бом, на 25—40 % меньше, чем в выработках обычных угольных шахт.

Неравномерность метановыделения в гидрошахтах, как показы­вают наблюдения, несколько выше, чем в шахтах с обычной техноло­гией добычи.

Суфлярные выделения представляют собой сопровождающееся обычно шипением местное истечение газа из видимых на глаз трещин. Различают суфляры I и II рода.

Суфляры I рода, или первичные, возникают за счет выделения газа, находящегося под большим давле­нием в пустотах (образовавшихся в породах и угле в течение геологи­ческих периодов), а также в зонах разлома, заполненных сильно тре­щиноватыми углями и породами, и в тектонических трещинах.

Суфляры II рода, или вторичные, являются следствием изменения физико-механических свойств угля и вмещающих пород при ведении горных работ. В частности, они часто возникают за счет выделения больших количеств метана из газоносных пластов угля, залегающих вблизи разрабатываемого, через трещины, появляющиеся в кровле пли почве пласта под влиянием изменения напряженного состояния пород при подвигании очистного забоя.

Первые описания суфлярных выделений относятся к началу XVIII в.

В России первые суфлярные выделения происходили в Донбассе. Так, на Рыковских копях в 80-х годах прошлого столетия при про­ходке ствола на глубине 80 м была вскрыта трещина, газ из которой выделялся в течение 10 лет. Для борьбы с загазированием вырабо­ток в те годы в трещины вставлялись металлические трубки, газ поджигался и горел «неугасаемым» факелом в течение ряда лет.

Большой длительностью, доходящей до 20 и более лет, отли­чаются суфляры I рода, суфляры же П рода обычно кратковременны.

Первые описания суфлярных выделений относятся к началу XVIIIв.

Внезапным выбросом называется одновременное бурное выделение угольной мелочи (иногда породной) и газа с образованием характер­ной полости (рис. 1). Выбросы чрезвычайно опасны, так как проис­ходят неожиданно в течение очень короткого промежутка времени (1 – 1,5 мин), вследствие чего могут привести к быстрому загазированию большого числа выработок. Атмосфера в выработках может стать взрывоопасной, а при большом содержании метана, вследствие умень­шения содержания в воздухе кислорода, непригодной для дыхания.

Рис. 1. Образование полости после внезапного выброса угля

Кроме внезапных выбросов к так называемым динамическим явлениям в шахтах относятся внезапные высыпания и выдавливания угля, «стреляние» угля и т. п. Эти явления также сопровождаются выделением больших количеств метана. Возникают они под влиянием сил горного давления.

Однако наибольшую опасность представляют внезапные выбросы. Впервые они появились во Франции (шахта «Исаак», 1834 г.), затем в Бельгии (шахта «Аграпп», 1879 г.) и в других странах. При наиболее крупных выбросах выделялось до 700 тыс. м3 метана и 3500 т угля (шахта «Моррисей», Британская Колумбия, 1904 г.).

В России первый выброс произошел в Донбассе в 1906 г. в шахте «Новая Смолянка». Затем, по мере перехода па разработку более глубоких горизонтов в других бассейнах, в них также начали появляться внезапные выбросы. В настоящее время в Донбассе внезап­ные выбросы происходят более чем на 80 шахтах, разрабатывающих более 200 опасных шахтопластов. Общее число опасных шахтопластов превышает 250. Кроме Донецкого бассейна опасные по выбросам пласты разрабатываются в Кузнецком и Карагандинском бассейнах, а также на Воркутском, Егоршинском и Сучанском месторождениях.

Интенсивность выбросов, т. е. количество угля в тоннах, выбрасы­ваемое в выработку, растет при увеличении мощности пласта и глу­бины разработки. Максимальная интенсивность выбросов составляет в Донбассе 1500 т, на Воркутском месторождении 800 m, в Кузбассе 400 m, а в остальных бассейнах находится в пределах 100—200 т.

Внезапные выбросы наблюдаются не только в угольных шахтах, но и в шахтах, разрабатыва­ющих каменную и калийную соль, где они со­провождаются выделением углекислого газа или углеводородных газов. Так, на калийных рудни­ках Германии за два с половиной года произошло более 100 выбросов со средней интенсивностью 2000 т.

До сих пор не имеется общепринятой тео­рии происхождения внезапных выбросов и пред­ложенные гипотезы имеют как своих сторонни­ков, так и противников.

Можно считать установ­ленном, что внезапные вы­бросы возникают в резуль­тате совместного действия давления горных пород и газа, заключенного в угле, и силы веса угля при опре­деленных физико-механиче­ских свойствах угольного пласта. Различие точек зрения за­ключается главным образом в том, что одни исследователи основную роль в развитии внезапного выброса отводят заключен­ному в угле газу, а другие — горному давлению. Согласно «газовой» гипотезе, разработанной Л. Н. Быковым, носителем непосредствен­ной опасности выбросов является газ, находящийся в угле в свобод­ном состоянии. Сорбированный газ в момент выброса, сопровожда­ющегося разрушением угля, переходит в свободное состояние и уве­личивает масштабы выброса. Интенсивность выброса зависит от ко­личества газа и давления, под которым он находится, и от препара­ции угольных пластов, происходящей в период тектогенеза.

Согласно гипотезе, разработанной В. В. Ходотом, главную роль при возникновении внезапного выброса играет напряженное состоя­ние, в котором находится уголь впереди забоя. Максимальное значе­ние опорного давления наблюдается на расстоянии 1—3 м от забоя. Если в результате взрывных работ или горного давления уголь внезапно разрушается, происходит бурный переход сорбированного газа в свободное состояние, сопровождающийся смещением угля в сторону горной выработки.

Несмотря на многодетное изучение внезапных выбросов до сих пор не удается найти зависимости между какими-либо физико-механическими и структурными особенностями пластов угля и склон­ностью их к внезапным выбросам. Так, в пластах, опасных по внезап­ным выбросам, не обнаруживается никаких особенностей петрогра­фического состава, газообильности, пористости углей. Можно считать, что содержание летучих в углях опасных пластов несколько ниже, газовое давление и начальная скорость газоотдачи несколько выше, чем у неопасных пластов. Несомненно, что на выбросоопасность влияет глубина разработки, давление газа, наличие нарушении, мощность пласта, угол падения, прочность угля и т. п., однако влия­ние этих факторов настолько неопределенно, что не позволяет про­гнозировать выбросы.

Тем не менее, при обработке материалов по внезапным выбросам удается установить определенную зональность в их распределе­нии. Так в Центральном районе Донбасса опасные по выбросам участки приурочены к складкам, возникшим на крыльях Главной антиклинали, в которых наблюдаются повышенные напряжения, главным образом в основаниях и сводах складок. Места повышенных напряжений характеризуются резким увеличением мощности пород­ного прослойка, разделяющего угольные пачки.

Пласты, склонные к внезапным выбросам, делятся па опасные и угрожаемые. Опасныминазываются такие, из которых в пределах данного шахтного поля уже происходили внезапные выбросы, аугрожаемыми— такие, из которых происходили выбросы в смеж­ных шахтных полях на тех же горизонтах.

Внезапные высыпания с усиленным газовыделением характери­зуются тем, что уголь высыпается со стороны восстания пласта, места высыпания приурочены зачастую к внутренним углам (куткам) забоев, выделяющийся метан не выносит угольную мелочь и движется по вентиляционной струе. При высыпании угля в подготовительных выработках уголь располагается с наклоном поверхности, близким к углу естественного откоса.

В частях забоя, выступающих в сторону выработанного простран­ства и, следовательно, подвергающихся усиленному давлению, а также в отдельных целиках под влиянием давления боковых пород иногда происходит раздавливание и отжим угля.

Увеличение газовыделения при этом сравнительно невелико и объясняется быстрым процессом десорбции в момент измельчения угля. Уголь отбрасывается па расстояние, не превышающее 3 м, и лишь при больших углах падения пластов может переместиться под влиянием собственного вeca на значительное расстояние по падению.

Лица, работающие па опасных пластах, должны быть хорошо знакомы с предвестниками и предупредителъными признаками выбро­сов. Предвестники могут появиться за несколько часов, а иногда и смен до выброса и заключаются в изменении крепости пласта, мощности, цвета, блеска и структуры угля, увеличении давления на крепь и усилении газовыдедения.

Предупредителыше признаки — отскакивание кусочков угля от забоя, выжимание угля, осыпания, удары, шум в массиве угля — возникают за несколько минут и даже секунд до вы­броса.

Для своевременного предупреждения работающих в забое о при­ближении внезапного выброса разрабатываются и внедряются объек­тивные методы обнаруже­ния опасности, в частно­сти акустический метод, основанный на том, что ча­стота и интенсивность шу­мов в массиве по мере при­ближения момента выброса нарастают, что регистри­руется специальной сейсмоакустической аппарату­рой. По достижении ус­тановленной для данного пласта акустической ак­тивности включается зву­ковая или световая сиг­нализация, оповещающая трудящихся об опасности.

В последние годы при проведении полевых выработок на глубине 750—800 м встретились с новым динамическим явлением — выбро­сами пород. Интенсивность последних иногда превышает 2000 т. Так же как внезапный выброс угля, выброс породы происходит в течение нескольких секунд, сопровождается выделением метана, концентрация которого в забое в этот момент достигает иногда 50 %. Выбросоопасными породами в Донбассе являются песчаники. Вы­бросы происходят на шахтах «Мария-Глубокая», «Щегловка-Глубо­кая», «Петровская-Глубокая» и др., причем они могут возникать чрезвычайно часто. Так. например, на шахте «Петровская-Глубокая» на 1 января 1967 г. произошло 83 выброса пород различной интен­сивности. В результате выброса зачастую возникает полость (рис. 2), как и при внезапном выбросе угля.

Для прогноза выбросоопасности пород используются их механи­ческие и петрографические данные. Так, замечено, что при внедре­нии выработки в выбросоопасную зону появляется чешуйчатость пород, разделение их на пластины, коэффициент использования шпуров может превышать единицу, отброс породы от забоя при взрыв­ных работах больше обычного, при бурении скважин керн разру­шается на диски, перпендикулярные оси скважины.