Общие положения о приведении пласта угля в неудароопасное состояние нагнетанием воды под давлением

21.05.2018
Выполнение комплекса мероприятий по предупреждению горных ударов (первоначальная отработка защитного пласта, применение систем разработки, исключающих оставление целиков угля или выступающих участков массива, ликвидация встречных и догоняющих очистных забоев и т. п.) позволило значительно снизить количество горных ударов в Кизеловском бассейне. Однако, начиная с 1962 г., горные удары вновь участились, причем рост их количества произошел в основном за счет ударов, возникающих в очистных забоях.

Такое положение было вызвано увеличением глубины ведения горных работ на шахтах, которые относятся к числу наиболее удароопасных (им. Калинина, им. Урицкого, им. Крупской и др.). Возрастание глубины разработки влечет за собой повышение опорных нагрузок и напряжений в массиве угля, особенно на участках, примыкающих к очистному забою. Эти явления наблюдались, главным образом, на одиночных пластах или пластах, отрабатываемых первыми в свите, и не происходили после предварительной отработки защитных пластов. Вместе с тем удельный вес подготовительных выработок на пластах, опасных и угрожаемых по горным ударам, охраняемых целиками угля, продолжает оставаться довольно высоким. Так, например, по состоянию на 1/1 1965 г. 22% всех действующих откаточных и вентиляционных выработок в Кизеловском бассейне были пройдены по пластам, опасным и угрожаемым по горным ударам, 75,6% из них (90,6 км) охранялись с двух сторон целиками угля, 18,1% (21,7 км) —односторонней бутовой полосой и целиком угля и только 6,3% (7,5 км) — двусторонними бутовыми полосами. Это произошло потому, что многие пласты были отнесены к числу опасных и угрожаемых по горным ударам уже после того, как подготовительные выработки на значительном протяжении были пройдены узким ходом и приведение этих выработок в неудароопасное состояние путем замены охранных целиков бутовыми полосами оказалось затруднительным или невозможным.

В связи с этим возникла острая необходимость изыскания эффективных и надежных средств приведения в безопасное состояние очистных забоев, отрабатывающих одиночные или первые в свите пласты, и подготовительных выработок, охраняемых целиками угля.

Как известно, основным условием возникновения горных ударов является способность массива угля и горных пород аккумулировать большие количества энергии в результате их упругого сжатия под действием сил горного давления. Количество, возможность и характер высвобождения этой упругой энергии зависят от физических свойств пород и угля. Известно также, что увлажнение пород и угля сопровождается изменением некоторых физических свойств: прочности, упругости, пластичности и др.

Таким образом, можно предположить наличие взаимосвязи между степенью увлажнения угля в массиве и его удароопасностью. Правильность этого положения была впервые экспериментально проверена ПермНИУИ в очистном забое крутого падения на шахте им. Крупской в 1959 г. Вода в уголь при экспериментальных работах нагнеталась с помощью насоса ПермНИУИ-3М в шпуры глубиной до 2 м. Наблюдения, проводившиеся в процессе экспериментальных работ, показали, что в массиве при нагнетании в него воды происходит разрядка напряжений, проявляющаяся в толчках, хлопках, потрескивании крепи, отжиме угля. При выемочных работах, проводившихся с помощью отбойных молотков после обработки массива водой, количество и сила динамических проявлений горного давления значительно снизились по сравнению с аналогичными явлениями в сопоставимых условиях без предварительного увлажнения пласта.

Как видно, уже первые опыты дали основание считать метод нагнетания воды в пласт перспективным и заслуживающим серьезного внимания.

Вместе с тем эти опыты показали несовершенство применяемого оборудования (насоса и герметизатора), которое не позволяло увлажнять пласт на большую глубину. После нагнетания воды на глубину до 2 м при выемке угля ширина защитной увлажненной зоны оказывалась недостаточной для устранения динамических проявлений. Это было особенно характерным в кутках уступов, расположенных ближе всего к зоне максимальных опорных нагрузок (рис. 104).

Дальнейшие промышленные экспериментальные работы в широком плане были продолжены только в 1963 г., после создания и приобретения шахтами новых насосов для увлажнения пласта (ПермНИУИ-10, УНВ-1) и гидрозатворов, позволяющих осуществлять герметизацию скважин на глубине 4—5 м. Рост частоты горных ударов в очистных забоях, с одной стороны, и положительные результаты опытных работ по применению нагнетания воды в пласт, с другой, способствовали широкому внедрению нагнетания, причем это внедрение велось параллельно с проведением исследований, направленных на определение оптимальных параметров, схем, времени действия, необходимой степени повышения влажности угля при нагнетании воды в пласт, изыскание методов и средств контроля качества работ по увлажнению и т. п. Комплекс проведенных в этом направлении исследований, а также накопившийся опыт практических работ позволил разработать в 1967 г. «Временное руководство по нагнетанию воды в пласт, как средству борьбы с горными ударами на шахтах Кизеловского бассейна».

Широкое внедрение нагнетания воды в пласт для предупреждения горных ударов в очистных забоях и охранных целиках в сочетании с комплексом других мер позволили достигнуть дальнейшего снижения проявлений горных ударов.