Статические и динамические нагрузки и возникновение волновых процессов при разработке выбросоопасных пластов предшествующих внезапному выбросу

Угольный пласт, находящийся в напряженном состоянии, в процессе разработки изменяет свое состояние и свойства под влиянием горных работ.

Как известно, явление разрушения представляет собой по существу неустановившийся процесс, где период колебаний скорости трещинообразования зависит от микроструктуры и хрупкости твердого тела и быстро уменьшается с увеличением степени хрупкости и аморфности материала. Процесс разрушения выбросоопасного пласта, завершающийся выбросом угля и газа, еще более сложен вследствие особенностей физико-механических свойств пласта, состояния и активного участия в выбросе десорбированного и свободного газа.

Разрушению определенной части угольного пласта в виде внезапного выброса угля и газа в очистном забое предшествует длительное нахождение его под влиянием возрастающего горного давления (первая стадия), после чего в процессе разработки эта часть угля, находящаяся в призабойной зоне, деформируется в сторону обнажения (вторая стадия). В этой зоне горное давление снижается с omax до omin. Как правило, внезапные выбросы угля и газа возникают во второй стадии.

На рис. V.22 показаны эпюры горного давления на угольный пласт и графики конвергенции кровли при его разработке длинными очистными забоями (задача решалась с применением метода механики сплошной среды). В угольном массиве наибольшие напряжения возникают при разработке пластов с трудноуправляемой кровлей (кривая 4), которые снижаются при легкоуправляемой кровле (кривая 3), применении частичной закладки (кривая 2) и особенно при полной закладке (кривая 1). При этом зона опорного давления смещается также в глубь массива.

Так, при трудноуправляемой кровле уже на расстоянии 70—100 м от обнаженной поверхности забоя начинает проявляться влияние горных работ — повышаться горное давление, а на расстоянии 20—30 м приращение давления составляет 20—40% первоначального, соответствующего давлению в нетронутом массиве. Скорость подвигания забоев при разработке неопасных пластов составляет 50—75 м/мес. Таким образом, угольный пласт впереди забоя выработки находится под действием опорного давления в течение 1,5. мес. При разработке выбросоопасных пластов, скорости подвигания которых не превышают 20—25 м/мес, угольный пласт находится под воздействием изменяющегося горного давления уже более 3 мес, что вызывает изменение его упругих характеристик (модуля упругости, дифференциальной пористости и т. д.). В это время может происходить изменение надмолекулярной структуры угольного пласта. Этот процесс ускоряется по мере подвигания очистного забоя и замедляется при его остановке.

Наибольшие изменения указанных параметров угольного пласта наблюдаются на расстоянии l=3-8 м от поверхности забоя. В этой зоне горное давление снижается от максимального omax до минимального omin вблизи обнаженной поверхности (более чем в 3 раза) при трудноуправляемой кровле и выемке угля с обрушением.

В глубине массива на участке до оmaх возрастает степень сжатия в угольном пласте, вследствие чего увеличивается модуль упругости и прочностные свойства, уменьшается объем макропор и микротрещин, снижается доля свободного газа и возрастают его давление, доля сорбированного газа и температура. В этой зоне также изменяются акустические и электромагнитные свойства угля, возрастает выделение радона и т. д.

Однако в призабойной части пласта на участке от omax до omin происходят обратные явления: в пласте снижаются напряжения со значительно большей скоростью (примерно на одни порядок) и те напряжения и изменения, которые накапливались длительное время, реализуются в течение нескольких суток или мгновенно (при динамическом снятии нагрузки).

В действительности процессы изменения горного давления проявляются во времени динамически, так как они связаны с внезапным расслоением или обрушением в очистном пространстве как непосредственной, так и основной кровли, потерявших устойчивость при их обнажении.

Проявление динамических явлений в шахте в виде горных ударов или выбросов угля, породы и газа связано с превышением предельного состояния горного массива. В присутствии газа или в его отсутствие только предельное состояние может определять начало разрушения, однако в присутствии сорбированного газа этот процесс наступает при меньшем напряженном состоянии массива, вызванном горним давлением и тектоническими напряжениями.

Наличие и отсутствие газа в угольном массиве определяет также и характер динамических явлений. Так, развитие внезапного выброса угля и газа существенно отличается от горного удара тем, что в первом случае работа сорбированного и особенно свободного газа интенсифицирует процесс разрушения и эвакуацию разрушенного угля из зоны выброса. Вокруг возникших новых поверхностей полости выброса возникают практически те же или большие напряженные состояния по сравнению с зоной начала внезапного выброса и потому развитие выброса возможно и далее. Прекращение выброса в этих условиях можно объяснить изменением физико-механического состояния, в том числе увеличением прочности угля в зоне, непосредственно примыкающей к очагу выброса, снижением горного давления или давления газа, изменением контактных условий выбросоопасной пачки угля или таким совместным действием перечисленных факторов, которое в конечном итоге приводит к деформациям, меньшим критических.

В отличие от внезапных выбросов угля и газа при горных ударах основное значение имеют горное давление и тектонические напряжения.

Исходя из изложенных принципиальных положений, рассмотрим эти явления с позиций элементарной теории упругости. Как известно, переход к предельным состояниям — отрыву или разрушению от сдвига — обычно выражается посредством наибольших напряжений: отрыва ораст и сдвига тmах Весьма вероятно, однако, что для хрупких материалов, таких, как уголь, у которых сопротивление отрыву существенно меньше сопротивления сдвигу, в большем соответствии с результатами опытов должны оказаться условия, выражающие переход к предельному состоянию посредством наибольших деформаций, а не напряжений. Эта особенность хрупкого разрушения углей и положена в основу построения скелетной схемы описания динамических явлений в шахте.

Для большей наглядности и получения качественных решений принимаем следующие допущения:

- уголь разрушается при отрыве хрупко, без проявления пластических деформаций, поскольку при выбросе разрушение угля происходит за доли секунды;

- в глубине массива поперечные деформации незначительны;

- у обнаженной поверхности в очаге динамического явления поперечная деформация незначительна в направлении, параллельном этой поверхности, и возможна только в направлении открытой поверхности;

- напряженно - деформированное состояние угольного пласта в анизотропной среде при всестороннем сжатии характеризуется соотношениями

- при действии по оси 3 (рис. V.23) деформации растяжения (вблизи обнаженной плоскости)

- при наличии газа его давление во всех направлениях одинаково.

Здесь о3, о2 и о1 — главные напряжения по простиранию, окрест простирания пласта и перпендикулярно к пласту; E1, E2 и E3 — модули деформации по осям 1, 2, 3 для анизотропного тела; u12, u21, u32, u23 — коэффициенты Пуассона для анизотропного тела в различных участках пласта.

Закономерности деформирования угля в глубине массива до сего времени не выяснены. Некоторые ученые полагают, что поперечные деформации в пласте незначительны и поэтому поперечное напряжение в пласте можно рассчитывать по теории упругости. Другие ученые считают, что в нетронутом разработкой массиве действует гидростатическое давление о1 = о2 = о3.

Полагая, что истинное значение напряжений может оказаться промежуточным, не соответствующим этим крайним точкам зрения, рассмотрим оба возможных варианта для газоносных и негазоных пластов.

В пласте угля и боковых породах газ отсутствует. Если, например, в глубине массива горное давление о1 (см. рис. V.23) и поперечные напряжения о2=о3, то в направлении линии ab должна возникнуть суммарная относительная деформация элемента

или в соответствии с принятыми допущениями

Таким образом, при отсутствии тектонических напряжений в глубине массива

Уравнение (V.16) при отсутствии тектонических напряжении характеризует напряжение бокового распора, выраженное в долях от горного давления уН—о1.

В зоне возникновения горного удара у обнаженной поверхности о3 = 0 и деформация в направлении обнажения

Учитывая, что в направлении оси 2 деформации незначительны, в рассматриваемом случае о1/Е1 u12 = p2/E2, тогда

Однако деформация еab может быть и меньше критической екр и тогда разрушение в результате отрыва не возникает. Горный удар, согласно принятой упрощенной схеме, может начаться только при условии возникновения деформации растяжения в сторону обнажения, превышающей критическую:

Выражение (V.18) представляет собой условие возникновения горного удара.

Пласт угля насыщен газом. С учетом газонасыщения в глубине массива уравнение (V.15) примет вид

и напряжение бокового распора согласно (V.16)

где р — давление свободного газа.

В зоне свежеобнаженного забоя деформация в сторону обнажения не равна нулю, вследствие чего

С учетом принятого при выводе формулы (V.17) допущения после преобразовании получим

Таким образом, условие возникновения внезапного выброса угля и газа в зоне свежеобнаженного забоя (где миграция газа еще не развилась) запишется в виде

Если допустить, что в зоне выброса угля и газа упругие свойства пласта E и u не изменяются, то прекращение выброса возможно при условии повышения прочности угля, снижения напряжений в пласте в связи со снижением горного давления, давления газа, плотности контактов выбросоопасной пачки или при соответствующем совместном изменении горных условий до такой степени, при которых екр<еоб.

Выражение (V.22) можно рассматривать как обобщенное уравнение, описывающее возможность возникновения динамического явления в результате свежего обнажения забоя в шахте. В отсутствие газа второй член правой части условия обращается в пуль и мы приходим к уравнению (V.18) —условию возникновения горного удара.

Таким образом, первый член правой части условия (V.22) характеризует роль деформаций, вызванных в пласте горным давлением (с учетом концентрации напряжении вблизи горной выработки), а второй член — роль газового давления и возникновении критических деформаций (по без учета сил трения на контакте уголь — порода или между отдельными пачками угля).

Полученное обобщенное уравнение (V.22) нуждается в экспериментальной проверке. Основная задача экспериментаторов оказывается непростой: надо определить прочность R и критическую деформацию екр, напряжения о, упругие характеристики E и u по осям 1, 2 и 3 при сжатии и растяжении, а также газовое давление р. При этом напряжения и газовое давление надо определять как в глубине массива, так и в близких к обнажению зонах пласта. Однако современная измерительная аппаратура позволяет поставить такие эксперименты и произвести нужные определения.

Рассмотрим теперь тс же явления в случае действия в глубинe нетронутого разработкой массива гидростатического давления, исходя из условия о1=о2=о3. Поскольку уголь обладает анизотропией свойств, сохраним ранее принятые условия, кроме неравенства главных напряжений в угле в глубине массива.

Анализ деформированного состояния угля в условиях равнокомпонентного напряженного состояния сжатия не представляет интереса, так как критические условия в таком случае не возникают.

В зоне свежего обнажения, когда миграция газа еще не развилась, условия возникновения динамического явления запишутся в виде

Сопоставление уравнений (V.22) и (V.23) показывает, что роль газового фактора осталась неизменной, так как вторые члены уравнений одинаковы. Однако первые члены уравнений различны, поскольку различны принятые условия напряженных состояний. В уравнении (V.23) первый член, характеризующий влияние напряженного состояния на развитие динамического явления, больше первого члена уравнения (V.22), следовательно, в этих условиях возникновение горного удара или внезапного выброса более вероятно.

Надо полагать, что в зоне концентрации напряжений, образовавшейся при ведении горных работ, как и в зоне, близкой к обнажению пласта, существенное изменение о1 не приведет к пропорциональному изменению о2 и о3, и поэтому расчет по уравнению (V.23) покажет малую вероятность динамического явления в этих зонах.

Какое из полученных уравнений ближе к истине, будет установлено экспериментально. Скорее всего, правильное решение окажется промежуточным между рассчитанными по уравнениям (V.22) и (V.23), но более близким к первому.

Независимо от сказанного выше из полученных уравнений можно сделать следующие выводы:

- в зоне старого обнажения, при р=0, возможен горный удар, если согласно уравнению (V.18) екр<еab,

- при быстром обнажении забоя, когда р=/=0, возможен внезапный выброс угля и газа в соответствии с уравнением (V.22), где значения о и р соответствуют зоне нового обнажения, из уравнения (V.22) следует, что применение струговой выемки в очистных забоях и комбайновой проходки роторными машинами может существенно снизить вероятность выброса, так как при малой ширине заходи и достаточном времени для миграции газа напряжение о1 и давление р, входящие в уравнение (V.22), существенно ниже таковых при комбайновом выемке в очистных и подготовительных забоях, - если екр больше рассчитанного по уравнению (V.22) для зоны максимума опорного давления, возникновение внезапного nutipnca невозможно.

Влияние сил трения (сцепления). В рассмотренных случаях возникновения внезапного выброса угля и газа не учитывалось влияние трения угля выбросоопасной пачки о соседние прослойки, кровлю или почву пласта. Это естественно, так как при бистром и полном обнажении пласта или выбросоопасной пачки силы трения у самого обнажения, препятствующие деформации выбросоопасного прослойка, близки к нулю.

Иное положение складывается при бурении скважин в сторону выбросоопасной пачки пласта. Хотя обнажение и является свежим, однако смещению угля выбросоопасной пачки в сторону обнажения (в скважину) препятствует значительное трение последней и соседние пачки угля, почву или кровлю пласта.

Как и раньше, несколько упростим решение вопроса, приняв следующие допущения. Пусть в зоне старого обнажения, где р=0, действует нормальное к пласту давление о0, а в зоне максимума опорного давления на расстоянии от обнажения L (рис. V.24) — omax.

В первом приближении принимаем закон нарастания о по прямой. Тогда на расстоянии i от обнажения (I