Наукове обгрунтування технологій ефективного та безпечного проведення підготовчих виробок по викидонебезпечних вугільних пластах

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА ГІРНИЧА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

АВТОРЕФЕРАТ

з теми: «Наукове обгрунтування технологій ефективного та безпечного проведення підготовчих виробок по викидонебезпечних вугільних пластах»

Спеціальність 05.15.02 - Підземна розробка родовищ корисних копалин

Агафонов Олександр Васильович

Дніпропетровськ-2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у відділі газодинамічних явищ Державного Макіївського науково-дослідного інституту з безпеки робіт у гірничій промисловості Міністерства палива та енергетики України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Бондаренко Володимир Ілліч, проректор з наукової роботи Національної гірничої академії України Мiнiстерства освiти i науки України, (м. Дніпропетровськ).

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Зорін Андрій Микитович, завідувач відділу управління динамічними проявами гірського тиску Інституту геотехнічної механіки Національної академії наук України, (м. Дніпропетровськ).

доктор технічних наук, професор Сапицький Костянтин Федорович, професор кафедри підземної розробки родовищ Донецького державного технiчного унiверситету Мiнiстерства освiти i науки України.

доктор технічних наук, доцент Ширін Леонід Никифорович, завідувач кафедри рудникового транспорту Національної гірничої академії України Мiнiстерства освiти i науки України, (м. Дніпропетровськ).

Провідна установа: Комплексний науково-дослідний і проектно-конструкторський інститут з проблем Центрального району Донбасу (м. Горлівка) Міністерства палива та енергетики України, науково-технічне відділення гірського тиску.

Захист відбудеться "__26__"___квітня___2001 року о _14-00_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03 в Національній гірничій академії України Мiнiстерства освiти i науки України за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, проспект К. Маркса, 19, тел. 47-24-11.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці НГА України Мiнiстерства освiти i науки України (49027, м. Дніпропетровськ, проспект К.Маркса, 19)

Автореферат розісланий “_24__” __березня__ 2001 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03,

доктор технічних наук С.Ф. Власов

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Одним з негативних факторів, які перешкоджають поліпшенню техніко-економічних показників роботи вугільних шахт України, є газодинамічна активність пластів, що розробляються. Найбільш поширеними і численними, особливо у підготовчих виробках, є раптові викиди вугілля та газу, які становлять близько 84% від загальної їх кількості. На цей час вугільна промисловість має арсенал ефективних способів прогнозу відвернення викидів вугілля та газу на підставі цільового розвантаження і гідророзпушування пластів. Проте низький рівень технологічного і технічного забезпечення цих способів призводить до того, що їх реалізація супроводжується значними затратами часу та коштів, що на 40-60% зменшує темпи проведення підготовчих виробок. Крім того, на пластах, які характеризуються масовими проявами викидонебезпеки, застосування цих способів проблематично через неможливість забезпечення їхніх параметрів. Сучасні досягнення в галузі гідроруйнування різних матеріалів, у тому числі гірничих порід, є передумовою можливості розробки більш прогресивних технологій відвернення викидів вугілля та газу в підготовчих виробках на основі утворення розвантажувальних пазів, щілин і порожнин високонапірними струменями води.

Для вугільних пластів з масовими проявами викидонебезпеки, вплив на привибійну частину яких уже є небезпечним, перспективною є технологія проведення виробок у два етапи, що передбачає на першому етапі випереджаюче проведення в породах покрівлі пласта польової виробки зменшеного перерізу, а на другому - розширення її до проектного контуру, вміщаючого і вугільний пласт.

Важливим і невід'ємним компонентом технологій безпечного проведення виробок по викидонебезпечних пластах є дистанційне керування машинами та механізмами з відстаней, що виключають можливість травмування працюючих вугіллям у разі виникнення раптових викидів.

Тому тема дисертації, спрямована на вирішення проблеми ефективного та безпечного проведення підготовчих виробок по викидонебезпечних пластах, є актуальною для вугільної промисловості України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація базується на результатах науково-дослідних робіт, виконаних під керівництвом автора згідно з тематичними планами МакНДІ на галузеве замовлення Мінвуглепрому СРСР в рамках програми П. 41410 “Створити і здійснити широке впровадження нових (удосконалених) способів і технічних засобів забезпечення безпечних та здорових умов праці у вугільних шахтах” (1796053000-1988 р., 17940069000 - 1991 р.), галузеве замовлення Держвуглепрому і Мінвуглепрому України (1719201080 - 1993 р., 1719201020 - 1995 р.) та замовлення ІГС ім. О.О. Скочинського (0109073000, 0140066000 - 1990 р.).

Мета і задачі досліджень. Метою досліджень є розробка технології ефективного та безпечного проведення підготовчих виробок по викидонебезпечних вугільних пластах на основі закономірностей впливу на вуглепородний масив високонапірних водяних струменів з абразивними добавками і випереджаючої польової виробки зменшеного перерізу, яку згодом розширюють до проектних розмірів.

Для досягнення мети в роботі поставлені такі задачі:

1. Встановити ефективні параметри процесу руйнування високонапірними водяними струменями, в тому числі з абразивними добавками, вуглепородного масиву в залежності від його характеристик міцності.

2. Обґрунтувати параметри технологій проведення підготовчих виробок по викидонебезпечних пластах з використанням високонапірних водяних струменів, у тому числі з абразивними добавками, і розробити технічні вимоги для їх реалізації.

3. Визначити умови формування зони непружних деформацій поблизу випереджаючої розвантажувальної виробки залежно від напруженого стану вуглепородного масиву та його характеристик міцності.

4. Обґрунтувати параметри технології проведення підготовчих виробок у два етапи по вугільних пластах з масовими проявами викидонебезпеки.

5. Встановити закономірності поширення газовугільного потоку при раптових викидах вугілля та газу залежно від гірничо-геологічних і гірничотехнічних факторів для розробки вимог до дистанційного керування машинами та механізмами.

6. Визначити умови ефективного застосування технологій проведення підготовчих виробок по викидонебезпечних вугільних пластах з використанням високонапірних водяних струменів і випереджаючої польової виробки зменшеного перерізу.

Об'єкт досліджень - процес проведення підготовчих виробок на вугільних шахтах.

Предмет досліджень - технології проведення підготовчих виробок на викидонебезпечних вугільних пластах.

Ідея роботи полягає в синхронізації швидкості руйнування вуглепородного масиву та переміщення високонапірного водяного струменя, підвищенні його руйнівної здатності шляхом введення абразивної добавки, а також використанні ефекту формування зони непружних деформацій поблизу виробки для розробки параметрів технології проведення підготовчих виробок по викидонебезпечних пластах.

Методи досліджень. Для розв'язання поставлених задач прийнято комплекс досліджень, який включає: аналітичні дослідження параметрів високонапірних водяних струменів з використанням законів гідродинаміки; лабораторні та гірничо-експериментальні дослідження руйнівної здатності високонапірних водяних струменів, у тому числі з абразивними добавками; математичне моделювання геомеханічних процесів у вуглепородному масиві поблизу випереджаючої розвантажувальної виробки з використанням основ механіки деформованого тіла; гірничо-експериментальні дослідження розвантажувальної дії випереджаючої польової виробки з використанням показників початкової швидкості газовиділення, структурної порушеності вугілля, тиску газу, деформацій породної товщі та вугільного пласта; статистичний аналіз раптових викидів.

Теоретичні дослідження базуються на використанні методів функціонального аналізу, теорії диференціальних рівнянь, числових та інтеграційних методів розв'язання задач.

Обробка результатів досліджень проводилася з використанням методів математичної статистики.

Наукові положення, які виносяться на захист.

1. Глибина руйнування вуглепородного масиву високонапірним водяним струменем у разі введення абразивної добавки збільшується за степеневою залежністю й експонентою при збільшенні міцності порід і концентрації абразиву, що визначає параметри утворення розвантажувальних пазів, щілин та порожнин для відвернення раптових викидів вугілля та газу в підготовчих виробках.

2. Величина незнижуваного випередження між вибоями виробок зменшеного та проектного перерізів збільшується за експонентою і степеневою залежністю при збільшенні потужності запобіжного породного шару і границі міцності його на стиск, що забезпечує відвернення викидів вугілля та газу в разі проведення підготовчих виробок у два етапи.

3. Максимальна дальність відкинення вугілля під час раптових викидів зумовлена кутом залягання пласта, ступенем його небезпечності, способом технологічного впливу, площею перерізу виробки та ступенем її заповнення викинутим вугіллям, що визначає безпечны відстані для дистанційного керування машинами та механізмами у підготовчих виробках на викидонебезпечних пластах.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вперше експериментально встановлена залежність показника ефективності руйнування масиву високонапірними водяними струменями з абразивними добавками від характеристик міцності вугілля і породи та концентрації абразиву.

2. Експериментально-аналітично встановлена залежність відстані між шпурами від величини їх відхилення від заданого напрямку в процесі буріння, яка враховує характеристики міцності порід і дозволяє забезпечити суцільність розвантажувальної щілини у вміщаючих вугільний пласт породах.

3. Експериментально встановлена раніше невідома залежність величини незнижуваного випередження між вибоями виробок зменшеного та проектного перерізів від потужності і характеристик міцності запобіжного породного шару в разі проведення вироботок у два етапи.

4. Експериментально й аналітично встановлена залежність параметрів технології проведення підготовчих виробок у два етапи від напруженого стану і властивостей міцності вуглепородного масиву, яка забезпечує безпечну підготовку до відробки вугільних пластів з масовими проявами викидонебезпеки.

5. Встановлена залежність максимальної дальності відкинення вугілля під час раптових викидів від їх інтенсивності, кута залягання пласта, ступеня його викидонебезпечності, способу технологічного впливу і перерізу виробки.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень досягається:

- статистично значущим обсягом експериментальних даних та репрезентативністю об'єктів, на яких його одержано, позитивними результатами випробувань і впровадження розроблених технічних рішень;

- відповідністю фізичної моделі напружено-деформованого та газодинамічного стану вуглепородного масиву поблизу підготовчої виробки встановленим закономірностям протікання геомеханічних процесів;

- задовільною збіжністю (максимальна похибка не перевищує 15% при надійній імовірності 0,85) результатів аналітичних, гірничо-експериментальних досліджень і даних практики.

Наукове значення роботи полягає у вирішенні наукової проблеми з установлення закономірностей руйнування вуглепородного масиву високонапірними струменями з абразивними добавками та розвантажувального впливу випереджаючої польової виробки зменшеного перерізу, а також поширення газовугільного потоку під час раптових викидів, і обгрунтуванні технологій ефективного і безпечного проведення підготовчих виробок по викидонебезпечних вугільних пластах.

Практичне значення отриманих результатів:

- розроблені технології проведення підготовчих виробок по викидонебезпечних пластах з використанням високонапірних водяних струменів, у тому числі з абразивними добавками, та випереджаючої польової виробки зменшеного перерізу для відвернення раптових викидів вугілля та газу;

- створені технічні засоби для утворення розвантажувальних пазів у вугільних пластах (УНР), щілин і порожнин у вміщаючих породах (УП), які забезпечують реалізацію технологій проведення підготовчих виробок по викидонебезпечних пластах з використанням високонапірних водяних струменів, у тому числі з абразивними добавками;

- розроблені вимоги до дистанційного керування машинами та механізмами під час проведення підготовчих виробок по викидонебезпечних пластах.

Реалізація роботи в промисловості. Основні результати і висновки по роботі включені в технічні завдання на “Установку навісну для утворення розвантажувальних пазів УНР” та “Установку гідропіскоструминну УП”, в “Посібник із застосування способу двостадійного проведення виробок по особливо викидонебезпечних пластах” (1994 р.) і в “Інструкцію з безпечного ведення гірничих робіт на пластах, небезпечних раптовими викидами вугілля, породи і газу” (Додаток 9) (1989 р.), а установки УНР і УП рекомендовані до серійного виробництва.

Особистий внесок автора полягає у формулюванні мети та задач досліджень; розробки методик і проведенні аналітичних, лабораторних та гірничо-експериментальних досліджень; обробці и аналізі отриманих результатів; обгрунтуванні технологічних параметрів проведення підготовчих виробок з утворенням розвантажувальних пазів, щілин та порожнин високонапірними струменями води, у тому числі з абразивними добавками, і з випереджаючим розвантаженням вугільних пластів польовою виробкою, ефективних для відвернення раптових викидів вугілля і газу; обгрунтуванні технічних вимог на створення установок для утворення пазів, щілин та порожнин і вимог щодо безпечних відстаней для дистанційного управління машинами та механізмами. Впровадження результатів дисертації у практику проведення підготовчих виробок на шахтах Донбасу здійснювалось за особистої участі автора.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися на: Міжнародному симпозіумі з гірничих ударів і раптовими викидами у шахтах (м. Санкт-Петербург, 1994 р.); Міжнародній конференції з управління та контролю за високим газовиділенням і раптових викидів у вугільних шахтах (Австралія, 1995 р.); 25-й, 27-й і 28-й Міжнародних конференціях науково-дослідних інститутів з безпеки робіт у гірничій промисловості (Південна Африка, 1995 р., Індія, 1997 р., Румунія, 1999 р.); Центральній комісії по боротьбі з раптовими викидами вугілля, породи і газу по Донецькому басейну (1988-1992 рр.); Центральній комісії по боротьбі з газодинамічними явищами в шахтах України (1993, 1994 і 1996 рр.) та Міжвідомчих комісіях Мінвуглепрому України (1992, 1994 і 1995 рр.).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 39 наукових працях, з них 3 монографії, 25 статей в провідних фахових виданнях, 5 матеріалів конференцій, 4 авторських свідоцтва і 2 патенти.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 6 розділів, висновку, 2 додатків та списку 150 найменувань використаних джерел, містить 310 сторінок, у тому числі 50 таблиць і 84 рисунка.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації і необхідність проведення дослідження, сформульовані ціль і задачі досліджень, викладені наукові положення, що виносяться на захист, вказана наукова новизна та практичне значення отриманих результатів, а також наведені дані з апробації і публікації досліджень.

У розділі 1 наведено аналіз досвіду відробки вугільних пластів, схильних до газодинамічних явищ у Донецькому басейні, і заходів боротьби з раптовими викидами вугілля та газу, розглянуто стан вивченості проблеми технологічного забезпечення процесів усунення викидонебезпеки, сформульовано мету і задачі досліджень, визначено методи досліджень.

Донецький басейн відомий як унікальне за складністю гірничо-геологічних умов родовище, представлене великою кількістю, головним чином, тонких і дуже тонких вугільних пластів похилого та крутого залягання, складених кам'яним вугіллям практично всього ряду його метаморфізму від довгополуменевого до антрациту і схильних до різних видів газодинамічних явищ, серед яких переважають раптові викиди вугілля та газу.

Аналіз проявів викидонебезпеки показує, що кількість шахт на похилих викидонебезпечних пластах майже в 4 рази більша, ніж на крутих, але число шахтопластів та вибоїв, що розробляються, на тих і інших приблизно однакове. Із загальної кількості викидів вугілля та газу за останній десятирічний період стабільної роботи шахт (1986-1995 рр.) 116 (7%) цих явищ сталися на крутих пластах і 1525 (93%) на похилих, причому 84% у підготовчих виробках. Тому проблема відвернення раптових викидів у підготовчих виробках продовжує залишатися вельми актуальною.

Фундаментальні дослідження з вивчення природи викидонебезпеки та закономірностей її формування в процесі ведення гірничих робот, а також розробка комплексу заходів боротьби з раптовими викидами, що включає прогноз викидонебезпеки, випереджаючу відробку захисних пластів, технологічні заходи, які знижують імовірність виникнення раптових викидів, способи їх відвернення та заходи щодо гарантування безпеки працюючих, виконано багатьма науково-дослідними організаціями країн СНД: ІГС ім. О.О. Скочинского, МакНДІ, ВНДМІ, СхідНДІ, ІПКОН АН Росії, ІГТМ НАН України, НГА України, ДонДТУ та ін. Результати цих досліджень показані в працях відомих учених: О.О. Скочинського, В.В. Ходота, С.О. Христиановича, І.М. Печука, І.В. Боброва, Р.М. Кричевського, І.М. Петухова, А.Т. Айруні, О.Д. Алексєєва, А.Є. Петросяна, В.І. Ніколіна, К.Ф. Сапицького, М.І. Большинського, О.І. Зоріна, В.Є. Забігайло, В.Г. Колесникова, К.К. Софійського, Я.Є. Некрасовського, В.І. Бондаренка, Л.Н. Ширіна, О.В. Колоколова та багатьох інших.

Виходячи з установленої теорією і практикою зональності проявів викидонебезпеки під дією природних та техногенних факторів, пріоритетними напрямками сучасної технічної політики в сфері боротьби з раптовими викидами вугілля та газу є застосування локальних способів відвернення цих явищ, технологій ведення гірничих робіт, що забезпечують усунення викидонебезпеки без посереднього укорінення у вугільний пласт, і дистанційного управління машинами та механізмами на викидонебезпечних пластах. викидонебезпечний вугільний пласт

Серед нормативних локальних способів відвернення раптових викидів найбільш ефективними є різні модифакації щілинного розвантаження шляхом утворення пазів у вугільних пластах та щілин у вміщаючих породах. Проте технологія утворення вибурюванням надто трудомістка, виконання її у вугільних пластах небезпечне, що обмежує обсяг застосування цих способів лише 5-10 вибоями за рік. У зв'язку з цим продовжує залишатися актуальним завдання створення більш надійних і безпечних технологічних процесів та засобів їх здійснення. Сучасні досягнення в галузі гідроруйнування вуглепородного масиву є передумовою можливості реалізації принципу щілинного розвантаження на основі утворення розвантажувальних пазів і щілин тонкими високонапірними струменями води, в тому числі з абразивними добавками.

Ширшого розповсюдження набув спосіб відвернення раптових викидів гідророзпушуванням вугільних пластів. Середньорічний його обсяг становить 85 вибоїв на пологих та крутих пластах, за винятком тих, які не приймають води або в них не вдається пробурити і надійно загерметизувати нагнітальні свердловини. Для таких умов доцільно розробити технологію виконання гідророзпушування через вміщаючі породи.

Дослідженнями напружено-деформованого та газодинамічного стану вугільних пластів поблизу польових виробок установлено розвантажувальний вплив останніх, що стало науковою основою ідеї використання цього ефекту для відвернення раптових викидів вугілля та газу за рахунок поєднення послідовності виконання технологічних процесів польової і пластової підготовки виїмкових дільниць.

Як захід гарантування безпеки працюючих від ураження вугіллям під час раптових викидів має застосовуватися, згідно з нормативними вимогами, дистанційне управління машинами та механізмами. До створення таких машин допускається дистанційне включення і виключення прохідницьких комбайнів та бурильних верстатів з відстані не меншої за 30 м. Але за статистичними даними, що містяться в фондах МакНДІ, дальність розповсюдження вугілля під час викидів у підготовчих виробках коливається в дуже широких межах і часто значно перевищує зазначену відстань, яка, отже, не завжди є безпечною. Це викликає необхідність розв'язання задачі з визначення безпечних відстаней для дистанційного управління машинами та механізмами з урахнуванням конкретних умов проведення підготовчих виробок по викидонебезпечних пластах.

Виходячи з аналітичного огляду сформульовано мету і задачі роботи й визначено методи досліджень. Оскільки об'єктами досліджень є технологічні процеси усунення викидонебезпеки і самі явища раптових викидів вугілля та газу, то прийнято в основному гірничо-експериментальний метод досліджень, яким передували аналітичні та лабораторні дослідження. При цьому використовувалось обладнання і прилади серійного виробництва. Дослідження виконувались в реальних та змодельованих умовах проведення підготовчих виробок по викидонебезпечних пластах простої і складної будови потужністю до 1,5 м, міцністю 0,8-2,0, що розробляються на глибинах до 1200 м, з вміщаючими породами міцністю від 4 до 10.

Параметри технологій усунення викидонебезпеки, що базуються на застосуванні високонапірних струменів води, в тому числі з абразивними добавками, і технічні вимоги до засобів для їх здійснення визначаються за гідродинамічними характеристиками руйнівної дії цих струменів, при яких забезпечуються геометричні розміри розвантажувальних пазів, щілин і порожнин, необхідні для відвернення раптових викидів вугілля та газу. Загалом виконано 320 експериментів по здійсненню зазначених технологій у лабораторних і натурних умовах проведення підготовчих виробок на 5-и викидонебезпечних шахтопластах Донецько-Макіївського та Краснодонського районів Донбасу.

Дослідження з розробки технологічних параметрів усунення викидонебезпеки шляхом проведення підготовчих виробок у два етапи з випереджаючим вийманням породної частини вибою на першому з них і наступним розширенням виробки до проектного перерізу на другому етапі проводились експериментально в шахтних умовах. Вплив польової частинии виробки на напруженно-деформований та газодинамічний стан вуглепородного масиву поблизу неї визначався за комплексом нормативних показників викидонебезпеки, які застосовуються перед розкриттям вугільних пластів: тиску газу, швидкості газовиділення, вмісту гелію, міцності вугілля та деформацій вугільного пласта і вміщаючих порід. Вимірювання цих показників проводилось у шпурах, пробурених з польової виробки на пласт. Дослідження виконувались на 11 шахтопластах з частими проявами викидонебезпеки у підготовчих виробках, в яких було обладнано 59 пунктів спостережень і проведено по 590 вимірювань кожного із зазначених показників на протязі 250 м посування вибоїв.

Безпечні відстані для дистанційного управління машинами та механізмами встановлювались виходячи з максимальної дальності відкидання вугілля під час раптових викидів у підготовчих виробках на похилих і крутих пластах при різних механізованих способах технологічної дії. До статистичного аналізу прийнято 586 раптових викидів, що сталися в цих умовах на шахтах Донбасу за період 1951-1996 рр.

Критеріями надійності результатів досліджень і остаточних висновків є дані оцінки ефективності розроблених науково-технічних рішень для усунення викидонебезпеки та відсутність раптових викидів під час апробації цих рішень.

Область застосування та очікуваний обсяг впровадження розроблених науково-технічних рішень визначаються іхніми функціональними можливостями забезпечити ефективність усунення викидонебезпеки і безпеку працюючих в конкретних гірничо-геологічних та гірничотехнічних умовах ведення гірничих робіт.

У розділі 2, присвяченому розробці наукових основ технологій усунення викидонебезпеки утворенням розвантажувальних пазів, щілин і порожнин у вуглепородному масиві високонапірними струменями води, наведено результати аналітичних та експериментальних досліджень методології і режимних параметрів руйнівної дії струменів в залежності від їхніх гідродинамічних характеристик та властивостей міцності вугілля і порід.

Для проведення експериментальних робіт з визначення оптимальних параметрів технологічних процесів утворення свердловиноподібних та щілиновидних порожнин високонапірними струменями використовувались серійні насосні установки УНГ, які застосовуються на шахтах для нагнітання води у вугільні пласти і розвивають номінальний тиск 32 МПа та продуктивність м3/с. Пристрій для формування струменя був виготовлений у вигляді трубчастої конструкції зі знімними насадками з діаметром проточного каналу 2-5 мм.

Встановлено, що максимальна дальність руйнівної дії струменя, яка визначається глибиною свердловиноподібної порожнини, що утворюється при нерухомій насадці, розташованій безпосередньо біля поверхні розкриття вугільного пласта чи породи, обернено пропорціональна їх міцності і становить 1,79...0,67 м при міцності вугілля 0,8...2,0, а в породах міцністю 4...10 - лише 0,33...0,13 м відповідно. Це вказує на доцільність використання високонапірних струменів води для утворення порожнин лише у вугільних пластах і породах міцністю не більше 4,0.

Осьовий тиск струменя, що створюється насосною установкою і є одним із основних факторів його руйнівної дії, в значній мірі залежить від діаметра каналу в насадці. При його діаметри 5 мм і навіть подвоєній продуктивності насосної установки м3/с осьовий тиск струменя не перевищує 14 МПа, порівненного з критичним на кінцевій ділянці струменя, при якому припиняється руйнування міцних порід і вугілля. При діаметрі каналу 2 мм тиск, що розвивається насосом, перевищує припустимий за його технічною характеристикою. Тому оптимальним за факторами ефективності руйнівної дії струменя та недопущення пошкодження застосовуваного нагнітального обладнання прийнято діаметр каналу в насадці 3 мм.

При розташуванні насадки на деякій відстані від поверхні розкриття глибина утворюваної порожнини зменшується на величину цієї відстані, отже, для максимального використання руйнівної дії струменя повинна забезпечуватися синхронізація швидкостей переміщення насадки і поверхні руйнування.

Для утворення ж щілиновидних порожнин насадку переміщують вздовж траси щілини, але максимальна її глибина буде визначатися граничною дальністю руйнівної дії струменя та швидкістю переміщення насадки, оптимальна величина якої дорівнює 0,003 м/с. Максимальна глибина щілини, яка при цьому досягається у вугільних пластах з міцністю 0,8...2,0 становить 1,54...0,55 м відповідно, а в породах міцністю не більше 4 - лише 0,2 м. Виходячи з цього запропонована технологічна схема утворення розвантажувальних пазів у вугільних пластах, яка є поєднанням операцій і прийомів, що використовуються для утворення свердловиноподібних та щілиновидних порожнин високонапірними струменями. Спочатку біля підошви пласта утворюють свердловиноподібну порожнину шляхом подачі до неї виконавчого органа на потрібну глибину паза, а потім із цієї свердловини струменем, що спрямований у бік покрівлі і переміщується вздовж свердловини при зворотному ході виконавчого органа, прорізають паз на всю потужність пласта, включаючи і породні прошарки потужністю не більше 0,2 м. Для відвернення раптових викидів в процесі утворення пазів вимивання свердловиноподібної порожнини проводиться насадкою, що обертається, з регулюванням частоти обертання від 25 до 100 об/хв в залежності від міцності вугілля, а при утворенні власне паза насадка переміщується від вибою до устя свердловини.

Експериментально встановлені параметри розвантажувальних пазів, які утворюють за вказаною технологією, відповідають нормативним вимогам і забезпечують відвернення раптових викидів вугілля та газу.

Розроблені параметри і технологія утворення розвантажувальних пазів струменями води високого тиску покладені в основу технічного завдання на установку УНР для здійснення цієї технології.

У розділі 3 викладено результати дослдіжень впливу абразивних добавок на підвищення руйнівної дії двофазних високонапірних струменів і на їх основі розроблено параметри та технологію утворення щілин і порожнин у вміщаючих вугільний пласт породах для відвернення раптових викидів вугілля та газу.

Виходячи з аналізу застосовуваних в інших галузях народного господарства схем введення абразивної добавки у високонапірний струмінь і виявлених при цьому обмежень можливості їх використання в шахтних умовах, запропоновано схему формування двофазного високонапірного струменя, яка ґрунтується на принципах струминного насоса. Згідно з цією схемою інжектований потік з абразивною добавкою, для якої використовується кварцовий пісок, подається, оминаючи насосну установку, безпосередньо у високонапірний струмінь біля його виходу з насадки.

Для проведення експериментальних робіт з визначення руйнівної здатності двофазного струменя та параметрів технології утворення щілин і порожнин в породах застосовувався окрім серійного нагнітального обладнання спецільно виготовлений піскозмішувальний пристрій, призначений для приготування водоабразивної суміші, та виконавчий орган трубчастої конструкції з кінцевою насадкою і приладдям для введення в нього високонапірного потоку та водоабразивної суміші.

Досліди з визначення руйнівної здатності двофазного струменя проводились на крупноблочних зразках вугілля, гірських порід і штучних матеріалів різної міцності при таких параметрах водоабразивного струменя: осьовий тиск 30 МПа при продуктивності насосної установки 33*10-4 м3/с і діаметрі насадки 4,5 мм, який трикратно перевищує розмір фракцій абразиву. Витрата абразиву змінювалася в межах 0,1...0,4 кг/с.

Вплив абразивної добавки на руйнівну здатність струменя оцінювався за показником n, який дорівнює відношенню глибин щілин, утворюваних абразивним і безабразивним струменем при постійній швидкості переміщення насадки 0,025 м/с і концентрації абразиву 100-120 г/л. Проведено 36 дослідів, на основі яких установлено, що з підвищенням міцності руйнованого матеріалу f ступінь збільшення глибини щілиноподібної порожнини також збільшується, що задовільно описується виразом

n = 0,027f ² +0,21f + 0,89. (1)

Причому у вугіллі глибина таких порожнин збільшується за рахунок абразивної добавки лише на 10...30%, а в породах не менше, ніж у 2 рази.

Для визначення впливу концентрації абразиву на ступінь збільшення глибини щілини у вугіллі та породах з урахуванням їх міцності проведено 45 дослідів, у яких концентрація абразиву змінювалася від 20 до 150 г/л. В результаті обробки експериментальних даних одержана залежність зазначеного показника ступеня збільшення глибини щілиновидної порожнини n від міцності вугілля і порід f та концентрації абразиву С, яка описується рівнянням регресії

, (2)

згідно з яким глибина руйнівної дії високонапірного струменя при введенні в нього абразивної добавки збільшується за степеневою залежністю від міцності порід та єкспонентою від концентрації абразиву. Як видно з наведених на рис. 1 графіків цієї залежності, при концентрації абразиву в двофазному струмені понад 90 г/л (показана стрілкою) суттєвого підвищення його руйнівної здатності не відбувається, а значить, така концентрація абразиву є раціональною незалежно від характеристик міцності порід.

Граничні глибини щілиновидних порожнин l_n при швидкості переміщення насадки 0,003 м/с та міцності порід 4, 6, 8 і 10 становлять відповідно 0,6 м, 0,5 м, 0,3 м і 0,1 м.

Для раціонального використання водоабразивних струменів, виходячи з установлених закономірностей їх руйнівної дії, розроблена технологічна схема утворення розвантажувальної щілини в породах покрівлі або підошви пласта, яка полягає в тому, що попередньо бурять серію шпурів на задану глибину щілини, а потім послідовно із кожного шпура струменем, спрямованим у бік сусіднього, при поступальному переміщенні насадки руйнують цілики між ними, створюючи такимчином суцільну щілину по всій ширині вибою виробки. При цьому доцільно розташовувати шпури паралельно один одному на відстані, рівній 2, тобто подвоєній граничній дальності руйнівної дії струменя, а руйнування ціликів між суміжними шпурами проводити зустрічними струменями. Проте, через можливе відхилення шпурів від заданого напряму, відстань між ними в глибині масиву може виявитися більшою за 2, а значить, внаслідок нестиковки ділянок щілини її суцільність може не досягатися. Величина відхилення шпурів b залежить від їхньої довжини і практично не перевищує 0,03. На основі експериментально встановлених граничних глибин щілиновидних порожнин в породах різної міцності та відхилення шпурів від заданого напряму буріння b одержана аналітична залежність відстаней між шпурами а від зазначених факторів

. (3)

Оскільки розв'язок цього рівняння має два значення, то враховуються більші з них, що відповідають максимальній відстані між шпурами, при якій забезпечується суцільність щілини по всій ширині вибою виробки. Від'ємне значення підкореневого виразу вказує на те, що через великі відхилення шпурів суцільність щілини не досягається.

Для спрощення процедури розрахунку оптимальних відстаней між шпурами в залежності від міцності порід можна скористатися виразом

. (4)

Запропонована технологія гідророзпушування вугільних пластів через вміщаючі породи, яка полягає в тому, що нагнітання води в пласт проводиться через свердловини, пробурені на відстані від нього, яка не перевищує граничної дальності руйнівної дії абразивного струменя, з допомогою якого із цих свердловин вимивають порожнини, що розкривають пласт на всю його потужність. Для забезпечення рівнозначності довжини фільтруючої частини нагнітальних свердловин, пробурених безпосередньо по пласту і по вміщаючих породах, а, значить, ідентичності режиму та параметрів нагнітання, необхідна кількість порожнин n в залежності від потужності m пласта визначається за формулою

, (5)

де d₁, d₂ - діаметри свердловини і порожнини відповідно, м; - довжина фильтруючої частини нагнітальної свердловини, м.

На основі встановлених технологічних параметрів усунення викидонебезпеки шляхом утворення щілин і порожнин у вміщаючих вугільний пласт породах високонапірними струменями води з абразивними добавками розроблено технічне завдання на гідропіскоструминну установку УП для здійснення цих технологій.

У розділі 4, який містить наукове обґрунтування технології проведення підготовчих виробок з випереджаючим розвантаженням вугільного пласта польовою виробкою, встановлені закономірності зміни напружено-деформованого та газодинамічного стану вуглепородного масиву поблизу цієї виробки, на основі яких визначені технологічні параметри проведення виробок у два етапи з випереджаючим вийманням породної частини вибою на першому етапі і наступним її розширенням до проектного перерізу на другому, ефективні для відвернення раптових викидів вугілля та газу.

Проведення польової виробки поблизу вугільного пласта супроводжується як відомо, його розвантаженням і дегазацією, внаслідок чого викидонебезпека усувається. Але при відторгненні породи на величину посування вибою виникають імпульси довантаження і тиску газу в пласті Р_о, що визначаються за формулами

; (6)

де - залишкова міцність вугілля, МПа; a - відстань до максимуму опорного тиску, м; m_o- потужність пласта, м; b - показник затримки перерозподілу напружень; Р_н - тиск газу в непорушеному масиві, МПа; А - показник, що характеризує розподіл тиску газу в пласті; d - показник зміни тиску газу; t- тривалість дії імпульсного навантаження, с.

На основі розрахунків і при різних значеннях впливаючих факторів установлено, що чим нижча швидкість переміщення вибою, тим менша величина імпульсного навантаження на пласт. У той же час із збільшенням залишкової міцності вугілля зростає опорний тиск на пласт попереду вибою польової виробки, а це в свою чергу викликає підвищення динамічного навантаження, яке виникає при відриванні породи у вибої. З іншого боку, чим більша глибина виймання породи, а значить, і зміщення максимуму опорного тиску, тим більший стрибок динамічного навантаження. Із збільшенням тиску газу величина імпульсного навантаження на пласт зменшується. В цьому випадку газ виступає з одного боку як демпфер, зменшуючи величину напружень, що виникають у вугіллі, а з другого - є джерелом додаткових розтягуючих напружень, що викликають руйнування вугілля, яке може супроводжуватися хвилею його дроблення з інтенсивним газовиділенням у вигляді газодинамічного явища. Гранична умова виникнення хвилі дроблення під дією сумарних напружень у вугільному пласті описується виразом

(7)

де - границі міцності вугілля на розтяг і стиск, МПа; k_р - коефіцієнт розпушення вугілля; - густина вугілля, кг/м³; - залишкові напруження в розпушеному вугіллі, МПа; - напруження в зоні опорного тиску, МПа; ; С_у - швидкість поширення пружних хвиль у вугіллі, м/с.

Виходячи з виразів (6) і (7), одержано рівняння граничної швидкості посування польової виробки V_г, нижче за яку хвилеподібне дроблення вугілля відбутися не може

(8)

Виконані розрахунки за (8) показують, що в разі виймання породи безпосередньо над або під вугільним пластом на глибину 1 м швидкість посування породного вибою, при якій дроблення вугілля не відбувається, має бути не більшою за 0,1 м/с. Така швидкість може забезпечуватися лише при комбайновому проведенні виробки, коли укорінення в масиві за кожен оберт виконавчого органа незначне, але практично недосяжна при буропідривкому способі.

Одним із факторів зниження динамічності дії на вугільний пласт і запобігання його дробленню з можливим викидом вугілля та газу в польову виробку є розташування її на такій відстані від пласта, при якій напруження, що виникають, не перевищують граничних значень міцності на руйнування захисного породного шару між виробкою і пластом.

За фізико-математичну модель для визначення характеристик напружено-деформованого стану та стійкості цього шару від руйнування прийнято технологічну схему проведення підготовчої виробки з випереджаючим вийманням породної частини вибою і залишенням над пластом породного шару, уподібненого до тонкої плити, затисненої у вибої та з боків польової частини виробки. Деформування цієї плити (шару) під дією сил гірничого тиску і пружного віднавлення вуглепородного масиву під виробкою описується диференціальним рівнянням прогину в центральному перерізі

(9)

де - величина прогину, м; х, у - координати; - циліндрична жорсткість; h - потужність шару, м; Е, - модуль пружності (МПа) і коеэфіцієнт Пуассона порід шару; q - навантаження на пласт, МПа.

Вводячи граничні умови деформування шару на затиснених сторонах і вільному його краю і розв'язуючи рівняння (9) за допомогою ЕОМ скінченнорізницевим методом, установлено, що максимальні згинаючі моменти і напруження виникають в області максимального прогину шару на відстані 1/4 його довжини позаду породного вибою та в місці затиснення цим вибоєм. Зазначені зони є найбільш небезпечними за руйнованістю шару. Зі збільшенням його потужності компоненти напружень і спадають по гіперболі з тенденцією до стабілізації при потужності шару 0,6 м і більшій. При міцності порід шару на стиск порядку 40 МПа його потужність, за якої виникаючі напруження не перевищують цієї величини, становить 0,40...0,45 м, а при міцніших породах (= 60...80 МПа) вона знижується до 0,3 м. З метою недопущення можливого зменшення потужності захисного породного шару внаслідок перебору виймання породи за проектним контуром виробки прийнято товщина цього шару, за якої забезпечується його стійкість від руйнування незалежно від міцності складових порід та способу проведення виробки, включаючи і буропідривний, становить 1 м.

Умовою ефективності випереджаючого виймання породної частини вибою для відвернення раптових викидів вугілля та газу з наступним розширенням виробки до проектного перерізу, який включає і вугільний пласт, є розташування цього пласта в зоні непружних деформацій, що утворюється навколо польової частини виробки. Для математичного опису розмірів цієї зони використана запропонована Ю.З. Заславським найбільш близька до реальних умов залежність радіуса непружних деформацій від розмірів виробки, глибини її закладення та міцності порід.

(10)

деR - радіус зони непружних деформацій, м; r - радіус польової виробки, м; U - зміщення контуру виробки (м), яке залежить від глибини її розташування від поверхні Н_о і міцності порід .

При числових значеннях Н_о в діапазоні сучасних глибин ведення гірничих робіт 600...1400 м і = 10...80 МПа одержана прийнята для практичного використання залежність радіуса непружних деформацій від зазначених факторів, яка задовільно описується виразом

(11)

Графічне зображення цієї залежності показано на рис. 2, з якого видно, що зі збільшенням Н_о радіус зони непружних деформацій навколо виробки зростає, але якщо зі збільшенням Н_о збільшується і міцності порід, то радіус напружних деформацій зменшується.

На основі аналітичних та експериментальних досліджень установлено, що ефективно для відвернення раптових викидів вугілля та газу розвантаження пласта відбувається позаду випереджаючої породної частини вибою і досягається при різних величинах випередження в залежності від потужності породного шару h між пластом і польового частиною виробки та міцності цього шару , а взаємозв'язок між цими параметрами описується виразом

(12)

згідно з яким величина незнижуваного випередження збільшується за експонентою зі збільшенням потужності захисного шару і за степеневою залежністю при збільшенні його міцності на стиск. При постійній потужності цього шару, прийнятій рівною 1 м, величина незнижуваного випередження польової виробки, що проводиться в породах з границею міцності на стиск до 40 МПа, становить не менше 3 м, а в міцніших породах - не менше 5 м.

У розділі 5, присвеченому розробці вимог до відстаней для дистанційного управління машинами та механізмами під час проведення підготовчих виробок по викидонебезпечних пластах, на основі аналізу джерел уражаючої дії під час раптових викидів вугілля та газу і статистики дальності відкидання вугілля під час цих явищ у різних гірничо-геологічних та гірничотехнічних умовах ведення гірничих робіт установлено безпечні відстані, при яких практично виключається травмування працюючих вугіллям, що викидається.

Небезпечними факторами ураження людей під час раптових викидів вугілля та газу є маса викинутого з пласта вугілля і газ, що при цьому виділяється. Якщо для захисту людей в зоні поширення газу є ряд групових та індивідуальних засобів життєзабезпечення, то єдиним заходом забезпечення безпеки від ураження вугіллям, що викидається, є дистанційне виконання технологічних операцій у вибої. Безпечні відстані встановлювались на основі статистичних даних інтенсивності викидів і дальності відкинення вугілля залежно від гірничо-геологічних та гірничотехничніх умов ведення гірничих робіт.

Основним показником, що характеризує інтенсивність раптових викидів, є кількість викинутого вугілля. На основі кореляційного аналізу залежності цього показника від гірничо-геологічних факторів, до яких відносяться потужність і кут падіння пласта, глибина розробки та ступінь метаморфізму вугілля, з урахуванням прийнятої класифікації шахтопластів за ступенем їх викидонебезпечності встановлено, що інтенсивність і кількість викидів вугілля та газу на крутих пластах майже в 2 рази вищі, ніж на пологих, причому на особливо викидонебезпечних пластах інтенсивність викидів також у 2 рази вища, ніж на небезпечних, але її приросту зі збільшенням глибини розробки не відбувається. На інтенсивність викидів більшу за 200 т перелічені гірничо-геологічні фактори не впливають. У зв'язку з цим подальший аналіз зміни інтенсивності викидів від гірничотехнічних факторів проводився окрема для крутих і пологих, небезпечних і особливо викидонебезпечних пластів.

Виходячи з того, що інтенсивність викидів вугілля та газу зумовлюється як відомо, не тільки рівнем потенційної енергії масиву, але й умовами її вивільнення під час технологічної дії на пласт, проведено аналіз цих явищ, що відбулися в процесі механізованого виймання вугілля та буріння свердловин під час проведення підготовчих виробок. Аналіз проводився по виборках, сформованих із загальної сукупності викидів при застосуванні прохідницьких і нарізних комбайнів та бурових установок з механічним і гідравлічним руйнуванням вугілля. Встановлено, що при несуттєвій відмінності середньої інтенсивності викидів в процесі комбайнового проведення виробок і механічного буріння свердловин, яка становить близько 90 т, максимальна їх інтенсивність, що досягає понад 2000 т, зареєстрована під час роботи комбайнів вибірної дії на особливо викидонебезпечних пластах і близько 1500 т на небезпечних. У разі проведення таких же виробок комбайном роторного типу максимальна інтенсивність викидів на пластах тих же категорій викидонебезпеки нижча і становить відповідно близько 1400 т і 500 т. При бурінні свердловин з гідравлічним руйнуванням вугілля середня та максимальна інтенсивність викидів майже в 2 рази більша, ніж при механічному бурінні, причому у стільки же разів ті та інші величини інтенсивності на особливо викидонебезпечних пластах вищі, ніж на небезпечних. При всіх зазначених способах технологічної дії інтенсивність викидів на крутих пластах у 1,5...2 рази більша, ніж на пологих, що зумовлено дією сил гравітації. В разі проведення виробок нарізними комбайнами середня та максимальна інтенсивність викидів на пологих пластах нижча, ніж навіть при механічному бурінні свердловин.

Настільки разюча відмінність інтенсивності викидів навіть під час аналогічних технологічних процесів у вибої, що виконуються різними механізмами, зумовлена нерівнозначною, як установлено, тривалістю розвантажувальної дії на пласт, зі зменшенням якої зростає динамічність перерозподілу напружень в масиві та величина вивільненої при цьому енергії, яка виконує роботу викиду. Об'єктивним показником тривалості розвантажувальної дії є часовий інтервал, протягом якого проводиться відрив вугілля на технологічну глибину вкорінення виконавчого органа за одиницю його руху (за один оберт шнека, бурової коронки, прохід ріжучого ланцюга та ін.). З урахуванням тривалості t різних способів такої дії, в тому числі і буропідривними роботами, одержана узагальнена залежність середньої інтенсивності викидів J від цього аргумента, яка описується виразом

(13)

Її графік показано на рис. 3, на якому кожна з позначених точек відповідає певній технологічній операції.

В загальному випадку інтенсивність викиду виражається формулою

(14)

де L - дальність відкинення вугілля, м; S - площа перерізу виробки, м²; К - коефіцієнт заповнення виробки вугіллям, який дорівнює К = V^у/V^в; V^у - об'єм викинутого вугілля, м³; V^в - об'єм виробки в границях дальності відкинення вугілля, м³; - об'ємна вага вугілля, т/м³.

Оскільки зі збільшенням інтенсивності викиду дальність відкидання вугілля зростає, то з метою недопущення ураження працюючих викинутим вугіллям за величину безпечної відстані приймається максимальна дальність відкинення, яка відповідає максимально можливій інтенсивності раптових викидів при різних способах технологічної дії на пласт. Виходячи з цього, безпечні відстані для дистанційного управління прохідницькими і нарізними комбайнами та буровими установками з механічним і гідравлічним руйнуванням вугілля в умовах їх застосування під час проведення підготовчих виробок на небезпечних та особливо викидонебезпечних пологих і крутих пластах визначалися з виразу (14) при J_max, що визначається з мінімальним ступенем ризику q виникнення викидів більшої інтенсивності (q = 110^-5), який відповідає вимогам стандартів безпеки праці в умовах підвищеної небезпеки дії уражаючих факторів. Установлені таким чином безпечні відстані наведено в табл. 1.

Таблиця 1. Вимоги до дистанційного управління машинами та механізмами в підготовчих виробках під час роботи на викидонебезпечних пластах

№ пп	Машини та механізми	Безпечні відстані для дистанційного управління, м
		похилі пласти	круті пласти
		небезпечні	особливо небезпечні	небезпечні	особливо небезпечні
1	2	3	4	5	6
I	Прохідницькі комбайни
	- роторні	30	100	30	150
	- вибірної дії	100	200	100	200
II	Нарізні комбайиы
	- пульт управління розташовано в нарізній виробці	50	150	-	-
	- пульт управління розташовано в основній виробці на відстані від сполучення з нарізною	15	40	-	-
III	Бурильні верстати під час буріння свердловин діаметром понад 80 мм на перших 20 м довжини свердловини	15	20*)	30	30*)
IV	Установки з гідравлічним руйнуванням вугілля під час буріння перших 20 м свердловин, нарізування пазів та вимивання вугілля	30	100*)	100	100*)

^*) Під час буріння свердловин повинні застосовуватися засоби локалізації викидів вугілля та газу в початковій стадії їх розвитку

У розділі 6 викладено результати промислових випробувань розроблених науково технічних рішень, до яких відносяться технології проведення підготовчих виробок по викидонебезпечних пластах і безпечні відстані для дистанційного управління мехнізмами та машинами, і проведено оцінку їх техніко-економиічної ефективності.

Технологія проведення підготовчих виробок з утворенням розванта-жувальних пазів у вугільних пластах струменями води високого тиску призначена для застосування на викидонебезпечних пластах потужністю до 1,5 м простої та складної будови з міцністю вугілля до 2, у тому числі на таких, що містять породні прошарки потужністю жо 0,2 м і міцністю до 4. Можливий обсяг застосування цієї технології 150 вибоїв за рік, що становить близько 60% від загальної їх кількості на викидонебезпечних пластах.

Промислові випробування технології утворення розвантажувальних пазів установкою УНР проведено в 55-у конвеєрному ходку, який проводився комбайном 4ПП-2М по викидонебезпечному пласту l₃ шахти ім. 50-річчя СРСР ВО Краснодонвугілля. Випробування показали, що конструкція установки забезпечує утворення у вугільному пласті свердловини під час прямого ходу виконавчого органа та паза із неї під час зворотного ходу, відповідає показникам призначення і вимогам технічного завдання. Технологічні операції з утворення пазів виконуються в автоматичному режимі без присутності людей у вибої, а дистанційне управління установкою може здійснюватися з відстані до 200 м.