значительная глубина залегания;
высокая прочность боковых пород, мощность основной кровли;
склонность краевой части угольного пласта к упругому деформированию и хрупкому разрушению, зависящая от прочностных и фазово-физических свойств угля;
отсутствие в непосредственной кровле и почве на контактах с пластом слабых пластических слоев пород; тектоника месторождения и характер нарушенности угольных пластов
В результате предварительной разведки месторождения (шахтного поля), выполняемой геологоразведочными организациями Министерства геологии СССР, дается начальный прогноз об удароопасности пластов. На стадиях детальной и эксплуатационной разведок, а также на действующих шахтах геологические данные уточняются по методикам 2—4 данного приложения
На начальной стадии пласт считается склонным к горным ударам, если-
выход керна составляет 85—100%,
уголь крепкий (коэффициент крепости f =1), представленный более чем на 80% матовыми и полуматовыми петрографическими разностями. Пласты, склонные к горным ударам, отличаются однородностью, монолитностью и, как правило, не содержат слабых пачек.
Влияние основных геологических факторов на удароопасность каменноугольных и антрацитовых пластов оценивают по комплексному критерию Р = Р1 -Р2- РЗ (табл 1.1).
Т а б л и ц а 1.1
|
Глубина зале пания пласта м |
Балл Р1 |
Прочность пород кровли мощностью 10 м МПа |
Балл Р2 |
Мощность основной кровли м |
Балл Р3 |
|
200 |
1,0 |
80—100 |
1,0 |
10 |
1,0 |
|
250 |
2,5 |
150 |
1,5 |
15 |
1 5 |
|
300 |
3,0 |
200 |
2,0 |
20 |
2,0 |
|
350 |
35 |
250 |
2,5 |
25 |
25 |
|
400 |
4,0 |
300 |
3,0 |
30 |
30 |
|
450 |
4,5 |
|
|
35 |
3,5 |
|
500 |
5,0 |
|
|
40 |
4,0 |
|
550 |
5,5 |
|
|
45 |
4,5 |
|
5:600 |
60 |
|
|
50 |
5,0 |
|
|
|
|
|
55 |
5,5 |
|
|
|
|
|
60 |
6,0 |
Каменноугольные и антрацитовые пласты относятся к угрожаемым по горным ударам при Р≥З
При Р =3 минимальная глубина залегания пласта составляет 150 м, прочность образцов пород основной кровли на одноосное сжатие 80 МПа, мощность монолитного слоя основной кровли 8 м
В процессе ведения горных работ признаками удароопасности пластов являются голчки, стреляния и микроудары в очистных и подготовительных забоях при работе выемочных машин, отбойных молотков, бурении и взрывании шпуров.
3. Определение склонности угольных пластов к горным ударам
Для условий Кузбасса установлена зависимость между коэффициентом удароопасности К угля и его прочностью (рис. 11).
|
Рис. 1,1. График зависимости показателя удароопасности К от прочности угля σ |
Рис. 1.2. Графики изменения прочности f петрографических типов углен Кузбасса: |
|
1 — матовый, 2 — пол матовый оцнородный, 3 — матовый полосчатый, 4 - полублестящий. 5 — блестящий 6 — сажистый ОВД стадии метаморфизма, VГ — выход летучих веществ, % |
Коэффициент удароопасности находят из соотношения
К=εУ/εПּ100
где εУ — упругая относительная деформация краевой части п гас га угля при искусственно создаваемой с помощью давильной установки нагрузке, составляющей 75—80% от разрушающей, εП — полная относительная деформация
При К≥70% уголь пласта считают удароопасным Зная прочность угля, по графику (см рис 1 3) определяют значение К, по которому судят об удароопасности пласта
Угольные пласты, состоящие из нескольких слоев разного петрографического типа, условно представляют в виде двух па чек- слабой и крепкой В слабую пачку включают слои, прочность которых меньше или равна 0,6 по шкале проф М. М. Прогодьяконова, а в крепкую — с прочностью более 0,6 Прочность угля каждого петрографического слоя на разных стадиях метаморфизма
(по А. В. Травину, В. П. Шорину, Т А. Юсупову) находят по графикам (рис. 1.2)
Прочность угля каждой пачки определяют как средневзвешенную по мощности слоев. Прочность угольного пласта в целом f рассчитывают по формуле:
f = fКР (1 + (fКР fСЛ -1)m mСЛ)
где и fКР и fСЛ — прочность пачек соответственно крепкого и слабого угля; т—мощность пласта; mCМ — мощность пачки со слабым углем.
При определении коэффициента удароопасности по графику (см. рис. 1) прочность принимают σ = 100f.
Коэффициент удароопасности пласта, сложенного разнопрочными пачками угля, может быть определен непосредственно по формуле:
КП = ККР / (1+ (ККР / КСЛ - 1) mСЛ / m
где ККР и Ксл — коэффициенты удароопасности соответственно крепкой и слабой пачек пласта.
Для определения склонности угольных пластов к горным ударам рекомендуется использовать показатель интенсивности разрушения КИ в виде отношения запредельной работы упругой деформации к допредельной. Для этой цели в шахтных условиях на крупногабаритных образцах размером не менее 40 X 40 X 80 см с помощью гидродомкратов получают полные диаграммы прочности угольного массива (рис. 1.3) Из точки перегиба А на диаграмме проводят прямую АД, параллельную участку упругого деформирования ОЕ, и опускают перпендикуляр АС.
Рис. 1.3. Схема определения коэффициента интенсивности разрушения угольного пласта:
σ— напряжения, ε- деформации
Из точки С проводят прямую СВ, параллельную ОЕ до пере сечения с кривой диаграммы в точке В. Отношение площадей А2:А1 = КИ является показателем склонности пласта к горным ударам. Если КИ = 1, то угольный пласт склонен к пластическому
деформированию, при КИ = 0 происходит идеально хрупкое разрушение. Пласт является склонным к горным ударам при КИ =0,9.
4 Выявление пластов, склонных к горным ударам
и одновременно склонных к ударам и выбросам,
на основании информации о фазово-физических свойствах угля
Оценка и прогноз механического и газодинамического состояния угольных пластов осуществляется на основе анализа горно-геологических условий, определения макро- и микропористой структуры угля и степени его водонасыщения. Для этого определяются три параметра фазово-физического состояния (ФФС) пластов-максимальная гигроскопичность угля и WМГ, характеризующая «сорбционный» поровый объем по отношению к жидкой фазе, включая переходные поры (коллектор влаги и газа);
структурный показатель GМГ, отражающий долевое участие в общей пористости «сорбционного» порового обьема (чем меньше показатель Gмг, тем более крупнопористой является структура угля);
естественная влажность We (или степень водонасыщения (Ge) при сравнении с Wмг и Gмг характеризует напряженность и газоносность пласта.
Определение этих параметров осуществляется в лабораторных условиях по кинетике сорбции парообразной влаги углем из образцов, отбираемых в разведочных скважинах или горных выработках
Закономерности изменения параметров ФФС пластов (иWмг, Gш, Gе) определяются степенью их метаморфизма, газоносностью, газовым давлением и напряженным состоянием. Возрастание газоносности и газового давления приводит к снижению отношения Wе/WМГ и- показателя Gмг, связанного степенной зависимостью с прочностными и упругими характеристиками угля. При небольших нагрузках (до 10—15 МПа) уровень We будет выше Wм,, с ростом нагрузок — Wе < Wмг Если в пласте есть газ, то при газовом давлении, большем 0,6—0,7 МПа влажность Wе также будет ниже WМГ.
Горные удары и внезапные выбросы угля и газа проявляются только при конкретных значениях и соотношениях параметров ФФС
Зная эти параметры, можно выявлять склонность угольных пластов к горным ударам или внезапным выбросам угля и газа и разрабатывать мероприятия для конкретных геологических и горно-технических условий.
4 1. При выборе участков бурения необходимо предусматривать возможность проведения работ в горных выработках,
находящихся на максимальной глубине от поверхности в нетронутом угольном массиве и в зонах ПГД.
Участки должны располагаться в зонах влияния крупных дизъюнктивных или пликативных нарушений и вне этих зон на расстоянии не менее 10 амплитуд дизъюнктива.
Ширина зоны влияния нарушения ZВ на степень удароопас-ности пласта зависит от амплитуды дизъюнктива Н и составляет в каждом крыле ZВ = (2—3) Н при H> 10 м; ZВ = 5H при H< 10 м, но не менее мощности пласта.
Для каждого участка должно быть проведено три цикла определения через 10—20 м подвигания подготовительного или очистного забоя; в целиках угля не менее 6 контрольных скважин через 5—10 м по длине выработки. Всего для одного шахтопласта бурят не менее 18 контрольных скважин и отбирают 9 бороздовых проб (для пласта простого строения).
При оценке склонности пластов или их участков к выбросо-или удароопасности основные принципы выбора мест определения аналогичны
В пластах простого строения парные-контрольные скважины бурят через 1 —1,5 м друг от друга по мощности пласта при m> 2 м, либо в его средней части при m≤2 м.
Образцы угля размером не менее 10—30 мм отбирают по борозде через равные интервалы по мощности пласта общей массой не менее 1 кг.
В пластах сложного строения, вначале по одному участку в трех циклах апробации проводят бурение контрольных скважин и отбор образцов во всех угольных пачках мощностью не менее 0,2 м. Эти работы проводят в забоях подготовительных выработок вне зоны влияния горных работ по обследуемому пласту или по другим пластам в свите, расположенным в 100 м в почве или кровле. Бурение контрольных скважин и отбор бороздовых проб угля осуществляют в наиболее представительных пачках пласта. С точки зрения выбросоопасности — в наиболее нарушенных слабых пачках мощностью не менее 0,2 м, а удароопасности — в наиболее представительных по мощности однородных крепких пачках, составляющих 70% и более по мощности пласта.
Пробы угля для определения естественной влажности набирают при поинтервальном бурении контрольных скважин глубиной до З√m, в целиках угля — до 4√m Общее количество проб из каждой скважины должно быть не менее 4—5.
4.2. Методика отбора бороздовых проб угля, их предварительная подготовка в ОТК. шахты и порядок проведения лабораторных анализов подробно изложены в «Методических указаниях по прогнозированию динамических явлений на угольных пластах по их фазово-физическим свойствам» {Л., 1981)
4.3. При оценке ударо- и выбросоопасности угольных пластов в пределах бассейна, месторождения, отдельных его участков или геологических блоков, наряду с определением параметров
фазово-физического состояния пластов (особенно для буроугольных и низкометаморфизованных каменноугольных пластов), необходима информация о марочном составе угля и геологической характеристике месторождения: сейсмичности, региональном и контактовом метаморфизме, тектонической нарушенности. Роль вмещающих пород определяют по настоящим рекомендациям (см. п 2, прил. 1). При геологических изысканиях на стадии предварительной и детальной разведки вместо естественной влажности пластов при сильной нарушенности угля используют сведения о его газоносности (в том числе остаточной).
На буроугольных пластах проявление удароопасности наблюдается, как правило, в сейсмически активных районах и в зонах современных тектонических движений земной коры с высокой контрастностью, преимущественно в зонах влияния крупных разрывных и складчатых нарушений. Буроугольные пласты, склонные к горным ударам и другим динамическим формам разрушения, при иWе и Wмг> 4% имеют степень водонасыщения Gе<0,85. Методика определения Gе рассмотрена в прил. 6. Выбросоопасность на таких пластах, за исключением зон контактового метаморфизма, не проявляется.
Аналогичная тенденция имеет место и на низкометаморфизованных каменноугольных пластах (марки угля Г и Д) при Wмг>4%, .Wе<WМГ, Gмг>0,5.
На антрацитовых и каменноугольных пластах средней и высокой стадий метаморфизма (марки угля Г, Ж, К, ОС, Т при Wмг<4%) возможны проявления горных ударов и внезапных выбросов угля и газа.
Критерии отнесения каменноугольных пластов (марки угля Г, Ж, К, ОС, Т) к ударо- или выбросоопасным при Wмг<4% следующие.
Пласты, склонные к горным ударам:
Гмг>0,5, Wе≤Wмг (или Gе≤Gмг).
В опасных зонах Gмг→0,7—0,8 (или 0,35); Wе ≤ WМГ, WМГ ≤ 3%
Пласты, склонные к внезапным выбросам угля и газа: GМГ<0,5; Wе<Wмг.
Как правило Ge=0,35.
В опасных зонах WМГ = 1,5—3%; Gмг≤0,35, Ge≤0,25.
Для неударо- и невыбросоопасных пластов и их участков в зависимости от степени метаморфизма, конкретных горно-геологических и горно-технических ситуаций возможны различные сочетания параметров ФФС между собой.
Для антрацитовых пластов значения WМГ не ограничиваются, а предельные значения параметров, дифференцирующих пласты по склонности к внезапным выбросам угля и газа и горным ударам, следующие: Gмг≈ 0,7—0,8, Gе ≈ 0,35. В выбросоопасных зонах: Gмг≤0,35; Gе≤0,25.
