Особенности процесса внезапного обрушения угля

Южанин Илья Андреевич к.т.н.

ведущий научный сотрудник

Украинский Государственный научно-исследовательский и проектноконструкторский институт горной геологии, геомеханики и маркшейдерского дела НАН Украины

Украина, г. Донецк

ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ВНЕЗАПНОГО ОБРУШЕНИЯ УГЛЯFEATURES OF A COAL RUSH PROCESS

Внезапные обрушения (высыпания) угля - это газодинамическое явление (далее - ГДЯ), представляющее собой быстропротекающее разрушение нависающего массива угля, сопровождающееся выделением газа. Отличительные признаки внезапных обрушений следующие:

• -    форма полости свечеобразная или карманная, причем ось полости направлена по восстанию пласта;

• -    обрушившийся уголь располагается под углом, близким к углу естественного откоса;

• -    величина относительного газовыделения, представляющая собой отношение абсолютного количества выделившегося при явлении газа к количеству обрушившегося угля, меньше разности между природной газоносностью угольного пласта и остаточной газоносностью обрушившегося угля.

При внезапных обрушениях угля происходят повреждения крепи и оборудования, загазирование выработок, нарушение технологического цикла выемки угля, травмирование работающих.

Уровень проявления внезапных обрушений угля на крутопадающих пластах сопоставим с уровнем проявления внезапных выбросов угля и газа, поэтому внезапным обрушениям угля всегда уделялось должное внимание, как работников производства, так и ученых.

Характерной особенностью внезапных обрушений угля является то, что факторами, определяющими возникновение и развитие процесса внезапных обрушений угля, являются горное давление и гравитационные силы. Поэтому, обрушения угля происходят только на крутонаклонных и крутых пластах.

Мероприятия по безопасной разработке пластов, склонных к внезапным обрушениям (прогноз опасности, способы предотвращения, технология выемки), должны базироваться на научной основе, объясняющей природу и механизм этих явлений. Общепринятые теории (гипотезы) трактуют процесс внезапных обрушений (высыпаний) угля как деформирование сыпучих сред [1].

В сыпучую массу угольный пласт превращается в основном под влиянием механических факторов: тектонических процессов (зоны геологических нарушений) и сил горного давления - опорного от горных работ собственного пласта и повышенного - от влияния очистных выработок соседних в свитах пластов.

Однако при этом недостаточно учитываются структурные преобразования в угольном веществе под влиянием различных факторов, включая газовую составляющую.

С увеличением глубины разработки угольных пластов количественные и качественные параметры процессов обрушения изменяются, что вызывает необходимость рассмотрения этих явлений в зависимости от физико-механического состояния угольного пласта, обусловленного особенностями структуры и степенью газонасыщения угля.

Способность углерода существовать в различных аллотропных модификациях в зависимости от термодинамических условий среды в переходных процессах структурного преобразования проявляется в особенностях размещения его атомов относительно друг друга.

Процессы изменения структуры вещества обычно характеризуются довольно высокими энергиями активации. Вероятность формирования более устойчивых структур, равно как и скорость полиморфных превращений, возрастает при нагревании и повышении давления. При охлаждении таких систем, процессы перестройки замедляются, а затем полностью останавливаются. В твердом теле формируется метастабильная структура с относительно устойчивым отклонением от энергетически устойчивого состояния. Отсюда следует, что несвоевременная остановка полиморфных превращений в углях в процессе генезиса сформировала в них и соответствующие физические характеристики, такие как твердость, прочность, пластичность.

Согласно установленной зависимости прочности углей от степени их метаморфизма [2] менее прочными являются угли с выходом летучих веществ от 10 до 36%. Длиннопламенные угли и антрациты, выбросоопасность которых минимальна или отсутствует, оказались наиболее прочными. Следовательно, угли с пониженными значениями прочностных характеристик обладают нестабильными структурными формированиями и предрасположенностью к выбросоопасности и обрушениям.

Для сопоставления углей по способности к тектоническому разрушению были изучены акустические характеристики углей в различных режимах деформационного напряжения из выбросоопасного и невыбросоопасного шахтопластов в дегазированном и газонасыщенном состояниях [3]. При анализе экспериментальных данных было обнаружено, что у дегазированных образцов при их медленном нагружении деформирование и разрушение происходят за одно и то же время. С увеличением скорости нагрузки время разрушения для обоих типов углей уменьшается в 2 раза, время деформирования - в 4 раза. При этом предел прочности и модуль упругости выше у выбросоопасного угля. С нарастанием скорости деформирования в выбросоопасном угле амплитуда акустических сигналов выше на 5-8%, число импульсов - на 20%, число импульсов за весь период деформирования - на 50%. При достижении скорости нагружения 1 см/мин число импульсов (дефектообразование) в выбросоопасных углях снижается в 5 раз, невыбросоопасных - в 2,5 - 3 раза. Авторы [3] считают, что при этом условная энергия импульсов выше в выбросоопасных образцах вследствие большей ее диссипации.

При изучении процессов разрушения угля, различного по выбросоопасности в газонасыщенном состоянии, было установлено [3], что при скорости деформирования 1 см/мин модуль упругости обоих типов углей повышается на 40 - 50%, в одинаковой мере понижается предел прочности углей и растет число импульсов относительно дегазированных углей. С увеличением скорости деформирования дефектоспособность невыбросоопасных углей по числу импульсов начинает превышать выбросоопасный уголь практически в 6 раз, т. е. получается, что для образования дефектов в невыбросоопасном пласте при достижении скорости нагрузки порядка 10 см/мин требуется значительно меньше усилий.

Согласно каталогу коллекторских свойств каменных углей и антрацитов, составленному МакНИИ, исследуемые угли из выбросоопасного пласта h61 и невыбросоопасного пласта 14 различаются по объему пор в 1,8 - 2,5 раза. Образцы угля из невыбросоопасного пласта 14 с большей пористостью поглотили больше газа, что привело к большей хрупкости, меньшей микротвердости при нагрузке. Отсюда следует, что угли, характеризуемые выходом летучих веществ от 10 до 36% способны изменять свои прочностные параметры в различных режимах деформации пропорционально степени их газонасыщения и независимо от их категории по выбросоопасности. Невыбросоопасность вполне может быть обусловлена способностью угля к дегазации при достаточной его пористости и газопроницаемости, что определяет уровень изменения его реологических характеристик при деформации. Состояние микро- и макроструктуры угля формирует и регулирует степень газонасыщения (дегазации), возможность деформирования и энергию межструктурных связей, соотношение различных по устойчивости структурных блоков (агрегатов), а, следовательно, и прочностные свойства угля.

Исходя из изложенного, следует считать, что формирование процесса разрушения угля сопровождают следующие условия:

• -    деформационные процессы во вмещающих пласт породах, протекающие с различной скоростью;

• -    степень газонасыщения угля;

• -    кинетические параметры газоотдачи в процессе деструкции;

• -    возможность поддерживания уровня газоносности угля прилегающими породами;

• -    возвратное поглощение углем накопленного у его поверхности газа;

• -    наличие вторичных структурных образований и их агрегативная устойчивость.

В соответствие с реализацией приведенных факторов были разработаны четыре основных подхода к механизму развития внезапных обрушений в угольных пластах.

• I.    Если уголь дегазирован, объем его минимален, микропоры перекрыты, энергия межструктурных связей минимальна, прочностные характеристики повышены. В таком состоянии уголь может обрушиться за счет кливажных трещин, способствующих потере его сцепления с окружающим массивом и отделиться от него в силу гравитации. Обрушение, как правило, крупноблочное.

• II.    Если уголь газонасыщен, то степень деструкции будет соответствовать его удельному объему, заполненному газом. При достаточно быстрой дегазации угля, не поддерживаемой фильтрацией газа из окружающего массива, начинает развиваться и действовать механизм разрушения, сопровождаемый давлением газа в трещинах.

При сравнительно малом объеме пор в угле и медленном нагружении за счет повышения модуля упругости, процессы деструкции замедляются. Причем количество образуемых дефектов, меньше, а их интенсивность, за счет давления газа, больше. Десорбция протекает медленно, постепенная релаксация энергетического состояния структуры приводит к повышению жесткости ее элементов. В случае малой газопроницаемости основной части обрушаемого блока массива, помимо гравитации существенную роль может сыграть давление свободного газа.

Как отмечалось ранее, вмещающие угольный пласт породы, особенно с увеличением глубины, являются накопителями газа и могут служить источником постоянного пополнения дегазирующихся углей. В таком случае обрушение развивается в зависимости от скорости деформирования. В условиях объемного сжатия при достаточных внешних напряжениях в условиях сохранения неустойчивого состояния структурных элементов резко возрастает хрупкость угля. Обрушение микроблочные или в виде высыпаний.

• III.    Внезапные обрушения наблюдаются в угольных пластах, находящихся в состоянии относительной геодинамической стабильности. Как показывает практика отработки угольных пластов, особенно крутопадающих, шахтный метан, концентрируясь в верхней части выработки, способен поглощаться углем. Отметим, что газ при этом ведет себя как генетически "родной" компонент, поглощаемый легко углем. Последний, затем, теряет устойчивость, и обрушается при отсутствии деформационных процессов. По-видимому, при поглощении метана развитой удельной поверхностью угля даже при нормальном давлении, возможны адекватные изменения энергии связей в надмолекуляной структуре угля, приводящие к потере устойчивости ее элементов и последующим высыпаниям.

• IV.    Как было рассмотрено ранее [4], вследствие геостатических процессов, в угольных пластах возможно формирование зон с так называемым вторичным типом структуры, в которых в результате механических процессов происходят необратимые деформации, вплоть до полного разрушения. К ним относятся и зоны геологических нарушений. В таких блоках массива агрегатная устойчивость угля минимальна и они склонны к активному высыпанию.

Таким образом, внезапные обрушения угля обусловлены снижением его прочностных характеристик, вызванных изменением структурных и газокинетических параметров угля. Механизм проявления внезапных обрушений угля протекает в соответствии со степенью его газонасыщения и структурной нарушенности.

Исходя из изложенных представлений о процессах внезапных обрушений угля, способы предотвращения этих явлений должны основываться на следующих принципиальных положениях:

• -    недопущение обнажений нависающего массива угля путем своевременного возведения надежной крепи (затяжка угольного массива, установка отдельных стоек, одно- или двухрядной органной крепи, стропильной крепи);

• -    перекрытие угольного массива в месте последующего обнажения опережающей крепью (технологические пазы; анкеры, устанавливаемые с использованием скрепляющих составов и т. д.);

• -    укрепление (упрочнение) массива угля в призабойной зоне пласта;

• -    эффективное проветривание забоев;

• -    дегазация угольных пластов, склонных к внезапным обрушениям.

В настоящее время способы крепления нависающего массива угля, в том числе опережающего, широко применяются в угольной промышленности. В то же время способам упрочнения угольного массива, дегазации пластов внимания уделяется явно недостаточно.

На использовании прочностных и структурных свойств угольного пласта разработан прогноз опасности внезапных обрушений угля [5].

Необходимо отметить характерную особенность, свойственную пластам, склонным к внезапным обрушениям угля: все они одновременно склонны к внезапным выбросам угля и газа. Поэтому дальнейшее совершенствование вопросов безопасной разработки таких пластов (технология, методы прогноза опасности, способы предотвращения ГДЯ) должно идти по пути универсализации, т. е. обеспечивать безопасность ведения работ, как в отношении внезапных обрушений угля, так и внезапных выбросов угля и газа.