Управление процессом хрупкого разрушения угольного пласта

Вопрос о возможности управления процессом хрупкого разрушения пластов угля, опасных по горным ударам и другим динамическим явлениям, был впервые поставлен в 1951—1952 гг. в Кизеловском угольном бассейне. Впоследствии он получил теоретическое и практическое обоснование. Управление процессом хрупкого разрушения пласта угля в конечном счете направлено на безопасное использование энергии горных ударов для выемки угля путем достаточно глубокого проникновения в напряженную часть пласта.

Это направление работ, как в части постановки самой задачи применительно к угольным месторождениям, так и в части полученных технических решений, является новым.

В зарубежной горной практике такого рода задача ставилась Э. Чернигом применительно к разработке свинцово-цинковых руд в Восточных Альпах. Он предлагает выбирать глубину шпуров с таким расчетом, чтобы иметь возможность дойти до области максимальных напряжений, где, по его мнению, силы, необходимые для преодоления прочности руды, будут наименьшими. Р. Квапил описывает и теоретически обосновывает случаи «раскачивания» блоков руды путем производства комбинации врубов, вызывающих проявление в блоке больших касательных напряжений. В зарубежной литературе среди исследований, посвященных разработке угольных месторождений, следует отметить работу В. Толмэна и Ч. Голлэнда, появившуюся в 1955 г.

Эти исследователи экспериментально подтвердили идею искусственного вызова горных ударов путем бурения скважин большого диаметра. Горно-экспериментальные работы производились в Западной Виргинии на пласте «Покахонтас № 4» мощностью 1,8—2,0 м на глубине 450—500 м. При бурении скважин диаметром 6—24 дюйма вызывались горные удары с выбросом угля от 1—2 до 1000 т. К недостаткам этого способа выемки пластов, опасных по горным ударам, следует отнести сложность и опасность бурения скважин в сильно напряженном угле.

Многочисленные случаи проявления горных ударов показывают, что часто пласты угля сосредоточивают в себе гораздо большие запасы энергии, чем это необходимо для их простого разрушения. Поэтому, если удастся научиться управлять процессом высвобождения энергии горного давления, то это даст возможность найти и пути ее безопасного использования для целей облегчения выемки угля.

Здесь следует уточнить, что вопрос ставится не об использовании отжима угля в общепринятом представлении, когда исполнительный орган добычной машины или инструмента внедряется в область уже отжатого угля, а об активном использовании эффекта хрупкого разрушения пласта угля, вызываемого внедрением исполнительного органа или взрыванием шпуров. Речь, таким образом, идет как бы о второй, более высокой ступени использования горного давления для целей выемки угля и проходки горных выработок.

Решение вопросов использования горного давления в указанном смысле должно исходить из представлений о напряженно-деформированном состоянии всей системы «боковые породы — уголь» и знания характера и степени изменения этого напряженного состояния в процессе выемки угля.

Ho эффект хрупкого разрушения в пласте угля может быть получен не всегда. He будет этого эффекта при разработке пластов угля на небольших глубинах (вследствие недостаточной величины напряжений в пласте), а также при разработке пластов угля, обладающих повышенной пластичностью и неспособных, следовательно, к аккумуляции значительных запасов энергии вблизи обнажения. В этих случаях повышение эффективности разрушения пластов угля может быть достигнуто благодаря увеличению ширины захвата машины, что обеспечивает саморазрушение пласта по всей мощности под действием собственного веса угля. Горное давление при этом играет уже подчиненную роль, проявляющуюся, главным образом, в «оживлении» природной трещиноватости в пласте угля в результате деформирования его вблизи обнажения.

В работах показано, что характер и степень использования природных сил (горное давление и собственный вес угля) для целей эффективного и малоэнергоемкого разрушения пласта угля зависят от многих факторов, среди которых первостепенное значение имеют: механические свойства пласта угля, его строение, мощность и угол падения, глубина разработки, состав боковых пород, глубина и скорость внедрения в пласт исполнительного органа машины или глубина шпуров при выемке угля буро-взрывным способом, форма исполнительного органа, его положение относительно мощности пласта угля, расположение шпуров.

Целесообразно из числа перечисленных факторов выделить те, которые могут изменяться в процессе выемки угля по воле человека и, следовательно, могут быть использованы для управления процессом разрушения пласта. К такого рода факторам прежде всего относятся: ширина захвата, скорость внедрения, форма исполнительного органа и его расположение в пласте.

Характер же и степень влияния таких факторов, как глубина разработки, мощность и угол падения пластоз, строение и состав боковых пород, должны учитываться, главным образом, лишь при установлении области применения тех или иных способов выемки.

Следует выделить такой фактор, как механические свойства пласта угля. Выше уже говорилось о роли механических свойств пластов в формировании условий для проявления горных ударов, т. е. для катастрофического проявления эффекта хрупкого разрушения. Здесь отметим лишь то обстоятельство, что механические свойства пласта угля при желании могут быть в значительной степени изменены. Так, применяя нагнетание воды в пласт, можно резко повысить пластичность пласта и тем самым снизить его способность к хрупкому разрушению. С другой стороны, пласт угля, не являющийся опасным по горным ударам, при некоторых условиях нагружения получает возможность накапливать потенциальную энергию вблизи обнажения и давать хрупкое разрушение [94].

Исследования о влиянии производственных процессов и параметров способа выемки угля на характер и интенсивность проявления горного давления и горных ударов в очистных забоях позволили установить в проблеме разрушения угольных пластов принципиально новые положения, предусматривающие эффективное использование для выемки угля горного давления и собственного веса угля, особенностей строения и залегания пластов,

Эти положения можно объединить в несколько пунктов:

1) глубина внедрения (ширина захвата) режущего органа является основным фактором, который позволяет в широких пределах управлять процессом хрупкого разрушения пласта угля, опасного по горным ударам и внезапным выбросам угля и газа;

2) при правильно выбранной глубине внедрения для разрушения угольного пласта в большинстве случаев достаточно прорезать в нем одну узкую врубовую щель по наиболее мягкому прослойку, расположенному в любой части пласта по мощности;

3) разрушение от одной узкой щели будет тем интенсивнее, чем опаснее пласт по горным ударам и внезапным выбросам угля и газа, а также чем больше угол падения, мощность пласта, глубина разработки, кливаж и слоистость.

Эти положения к настоящему времени можно считать экспериментально доказанными для большого диапазона условий залегания и строения угольных пластов крутого падения.

На основании этих выводов применительно к условиям Кизеловского бассейна были предложены два способа безлюдной выемки угля: дистанционная зарубка пластов, опасных по горным ударам, с помощью врубовых машин с длиной бара, достаточной для вызова хрупкого разрушения пласта на всю мощность в момент зарубки, и выемки угля с помощью канатных пил с тонким режущим органом.