Міністерство палива та енергетики України

Державний Макіївський науково-дослідний інститут

з безпеки робіт у гірничій промисловості

(МакНДI)

Тихоліз Олександр Михайлович

УДК 622.815.533.6

Обґрунтування та розробка комплексу заходів для запобігання раптових обвалень вугілля

Спеціальність 05.26.01 - Охорона праці

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка - Донбас

2001

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Державному Макіївському науково-дослідному інституті з безпеки робіт у гірничій промисловості Міністерства палива та енергетики України, (МакНДI).

Науковий керівник: доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Агафонов Олександр Васильович, начальник Донецького експертно-технічного центру Держнаглядохоронпраці України.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Колєсов Орест Андрійович, завідуючий відділом Центрального штабу Державної воєнізованої гірночорятувальної служби;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Канін Володимир Олексійович, завідуючий лабораторією Українського Державного науково-дослідного та проектно-конструкторського інституту гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи Національної Академії наук України.

Провідна установа: Національна гірнича Академія України Міністер-

ства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться “23” листопада 2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої ради К 12.834.01 у Державному Макіївському науково-дослідному інституті з безпеки робіт у гірничій промисловості (86108, м. Макіївка, Донецької області, вул. Лихачова, 60).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Державного Макіївського науково-дослідного інституту з безпеки робіт у гірничій промисловості (86108, м. Макіївка, Донецької області, вул. Лихачова, 60).

Автореферат розісланий “22” жовтня 2001р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради

К 12.834.01, канд. техн. наук, с.н.с. Ю.В.Кудінов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підземна розробка вугільних родовищ у Донбасі ускладнюється газодинамічними явищами (ГДЯ). На крутопохилих і крутих пластах одним з основних видів ГДЯ, поряд з раптовими викидами вугілля і газу, є раптові обвалення (висипання) вугілля. Велика частина цих явищ (88,6%) зареєстрована в Центральному районі Донбасу (ЦРД), їхній рівень прояву в різні періоди складав від 30 до 50 % від загальної кількості ГДЯ, що відбулися. Схильними до раптових обвалень вугілля є 46,5% розроблюваних у ЦРД шахтопластів, усі вони одночасно схильні до раптових викидів вугілля і газу.

Раптові обвалення вугілля призводять до великих аварій з важкими наслідками, порушення технологічного циклу ведення підготовчих і очисних робіт. Ліквідація їхніх наслідків вимагає значних матеріальних і трудових витрат.

До початку виконання роботи були відсутні нормативні документи, що регламентують безпечну розробку пластів, схильних до раптових обвалень вугілля; не були розроблені способи прогнозу небезпеки пластів і ділянок по раптовим обваленням вугілля (існував лише прогноз зон геологічних порушень і небезпечних проявів гірничого тиску); мали потребу в доробці і коректуванні параметри технологічних і спеціальних заходів щодо запобігання цих явищ, не був розроблений комплекс заходів з метою запобігання ГДЯ на пластах, одночасно схильних до раптових викидів і обвалень вугілля.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація базується на результатах, отриманих при виконанні науково-дослідної програми Мінвуглепрому України №1719201050 “Розробити комплекс заходів для запобігання газодинамічних явищ на крутих пластах, одночасно схильних до раптових викидів і обвалень (висипань) вугілля”.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є обґрунтування і розробка комплексу заходів для запобігання раптових обвалень вугілля, що дозволяє підвищити безпеку розробки крутих і крутопохилих вугільних пластів.

Для досягнення зазначеної мети були поставлені наступні задачі:

- установити залежність прояву раптових обвалень вугілля від гірничо-геологічних, гірничотехнічних і геомеханічних умов розробки вугільних пластів;

- установити механізм прояву раптових обвалень вугілля і їхні характеристичні ознаки;

- виявити найбільш інформативні показники й установити їхні критеріальні значення для розробки методу прогнозу небезпеки вугільних пластів і ділянок по раптовим обваленням вугілля;

- розробити й уточнити параметри технологічних і спеціальних заходів щодо запобігання раптових обвалень вугілля;

- розробити комплекс заходів з метою запобігання ГДЯ на пластах, одночасно схильних до раптових викидів і обвалень вугілля.

Об'єкт дослідження: раптові обвалення вугілля

Предмет дослідження: умови, характер прояву і комплекс заходів для запобігання раптових обвалень вугілля.

Методи досліджень. Умови прояву раптових обвалень вугілля і їхні характеристичні ознаки аналізувалися методами математичної статистики. Стійкість вугільного масиву досліджувалася аналітичними методами. Міцністні і структурні властивості вугілля вивчалися в ході гірничо-експериментальних робіт і лабораторних досліджень.

Наукові положення, що виносяться на захист:

- небезпечні по раптовим обваленням зони у вугільних пластах характеризуються міцністю пласта менш 60 у.о. і III-V типом тектонічної порушеності, прямо пропорційної зруйновності вугілля;

- деформування вугілля як сипучого середовища, яке сформувалося в результаті впливу сил гірничого тиску, сорбційного зниження міцності і расклиніючої дії рідких плівок, що утворюються в результаті фазового переходу суміші метану і його гомологів, відбувається відповідно до ділатансійної моделі;

- небезпека вугільних пластів по раптовим обваленням вугілля зростає зі збільшенням потужності пласта по експоненті і залежить від виходу летких речовин відповідно до нормального закону розподілу, досягаючи максимуму при 22 %.

Наукова новизна отриманих результатів:

- вперше експериментально встановлено, що небезпечні по раптовим обваленням зони у вугільних пластах характеризуються міцністю пласта менш 60 у.о. і III-V типом тектонічної порушеності;

- описаний і експериментально підтверджений ділатансійний характер деформування вугілля як сипучого середовища, що сформувалося в результаті впливу сил гірничого тиску, сорбційного зниження міцності і расклиніючої дії рідких плівок, що утворюються в результаті фазового переходу суміші метану і його гомологів;

- установлена залежність небезпеки вугільних пластів по раптовим обваленням вугілля від їхньої потужності і виходу летких речовин, що дозволяє здійснювати вибір комплексу заходів для запобігання раптових обвалень вугілля;

- визначені умови формування особливо небезпечних ділянок по раптовим обваленням вугілля при розробці світи пластів, що враховують вид джерела підвищеного гірничого тиску (ПГТ) і напрямок ведення гірничих робіт.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується:

- статистично значимим обсягом проаналізованих раптових обвалень вугілля й експериментальних даних;

- показністю об'єктів натурних досліджень у різних гірничо-геологічних і гірничотехнічних умовах розробки;

- позитивними результатами дослідної перевірки та впровадження розроблених практичних рекомендацій і відсутністю помилок I роду при проведенні прогнозу;

- задовільною збіжністю (максимальна погрішність не перевищує 10% при довірчій імовірності 0,9) результатів натурних досліджень і даних практики.

Наукове значення роботи полягає в рішенні наукової задачі по встановленню умов формування небезпечних по раптовим обваленням вугілля зон, які характеризуються зміною міцності пласта і зруйновністю вугілля, що дозволило розробити критерії небезпеки цих зон, дозволяючи підвищити безпеку розробки крутих і крутопохилих вугільних пластів, небезпечних по раптовим обваленням вугілля.

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці методу прогнозу небезпеки вугільних пластів і ділянок по раптовим обваленням вугілля і заходів щодо їхнього запобігання, що дозволило підвищити ефективність і безпеку розробки вугільних пластів, схильних до таких явищ.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи. Основні результати і висновки по роботі включені в наступні нормативні документи: “Временное руководство по предотвращению газодинамических явлений на крутых пластах, одновременно склонных к внезапным выбросам и обрушениям (высыпаниям) угля (МакНДI, 1993. затв. Держвуглепромом України 01.12.93), “Временные указания по применению опережающей крепи с использованием пенополиуретанового скрепляющего состава на крутих пластах, опасных по внезапным обрушениям (высыпаниям) угля” (ДонВГI, МакНДI, 1991); направлені для включення в “Инструкцию по безопасному ведению горных работ на пластах, склонных к газодинамическим явлениям” (2000 р.),

Особистий внесок здобувача полягає в: визначенні умов формування небезпечних по раптовим обваленням вугілля зон, які характеризуються зміною міцності пласта і зруйновності вугілля, що дозволило розробити критерії небезпеки цих зон і на їхній основі метод прогнозу небезпеки вугільних пластів і ділянок по раптовим обваленням вугілля; проведенні експериментальних досліджень і у впровадженні результатів у виробництво.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися й одержали схвалення на Міжнародному симпозіумі по гірничих ударах і раптових викидах (Санкт-Петербург, 1991), Республіканській конференції молодих учених (Донецьк, 1991), нараді в ДонНДI (1991), засіданнях гірничої секції Вченої ради МакНДI (Макіївка, 1993, 1994, 1999).

Публікації. Результати досліджень опубліковані в 8 статтях (збірники наукових праць МакНДI за 1991, 1993, 1995, 1996, 1998, 1999р.), доповідалися на 2 конференціях, отриманий 1 патент на винахід.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел з 113 найменувань і 4 додатків. Вона включає 29 малюнків і 41 таблицю. Викладена на 158 сторінках, загальний обсяг роботи –190 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Стан вивченості питання про раптові обвалення вугілля. Природа й умови формування і прояву раптових обвалень вугілля, фактори, що впливають на їхнє розв'язання, відмінні ознаки раптових обвалень вугілля, а також практичні заходи щодо їх запобігання в тім чи іншому ступені описані в роботах О.Д. Алєксєєва, М.И. Большинського, В.В. Владимирського, О.О. Борисенко, О.Е.Ольховіченко, О.В.Астахова, И.М. Жимчічі, А.Э. Петросяна, О.О. Скочинського, В.И. Ніколіна, О.Ф. Ревуженко, Г.Д. Лідіна, И.М. Пєтухова, Н.О. Шаповала, И.М. Печука, В.В. Ходота, Д.О. Широчина, О.В. Ягунова, И.М. Ярового й інших дослідників. У цих роботах розглядаються окремі сторони проблеми раптових обвалень вугілля, тому вони не дають систематизованого представлення про цей вид ГДЯ, починаючи від умов виникнення і природи раптових обвалень вугілля і кінчаючи обґрунтуванням заходів щодо їхнього запобігання. У більшості робіт висновки дослідників засновані на окремих фактах, не підтверджуються експериментами, в окремих випадках - суперечливі.

Тому проблема безпечної розробки пластів, схильних до раптових обвалень вугілля (прогноз небезпеки шахтопластів по цих явищах; комплекс заходів щодо запобігання ГДЯ на пластах, одночасно схильних до раптових викидів і обвалень вугілля, і ін.) не була вирішена.

Аналіз умов прояву раптових обвалень вугілля на шахтах ЦРД. Установлено, що показник прояву раптових обвалень вугілля зростає зі збільшенням потужності розроблюваного пласта m (м) відповідно до залежності (коефіцієнт кореляції r=0,95)

=0,223 exp 1,558 m. (1)

У 35 % випадків раптові обвалення вугілля відбулися в зонах впливу геологічних порушень. Найбільша кількість обвалень (71,6 %) приходиться на структурні порушення (тобто порушення, зв'язані зі зміною будови і форми пласта), 19,4% - на розривні порушення (насув, скид і т.п.) і 9 % - плікативні порушення. Найбільша кількість структурних порушень типу раздувів, пережимів пласта характеризується коефіцієнтом зміни потужності пласта =15...75%.

Зі збільшенням глибини розробки зростає кількість пластів, схильних до раптових обвалень вугілля, і число явищ, що відбуваються на них. Найбільша кількість раптових обвалень зареєстрована на пластах з газоносністю 17,5...20…20,5м /т с.б.м.

Розподіл величин виходу летких речовин вугільних пластів на ділянках раптових обвалень вугілля, що відбулися, відповідає нормальному закону розподілу з щільністю

, (2)

де =21,3% - середнє значення;

=7,2% - середнє квадратичне відхилення.

Максимум прояву раптових обвалень вугілля відзначений на пластах з виходом летких речовин =20...22…22,5%.

Аналіз впливу гірничотехнічних факторів на прояв раптових обвалень вугілля виконаний з використанням запропонованого показника ступеня небезпеки прояву раптових обвалень П, визначаємого по формулі

П=Уо / Уф , (3)

де Уо - рівень прояву раптових обвалень вугілля по даному

фактору;

Уф - рівень кількісної оцінки даного фактора в групі.

По величині показника П ступінь небезпеки факторів, що впливають, розділена на три категорії: П1,1 - підвищений ступінь небезпеки; 0,9<П<1,1 - середній ступінь небезпеки; П0,9 - ступінь небезпеки нижче середньої.

Аналіз розподілу раптових обвалень вугілля по видах виробок показує, що більш половини з них (57 %) відбулися в очисних виробках, при цьому число травмованих у цих виробках (69 %) більш ніж у 2 рази перевищило число травмованих у протяжних виробках (31%).

Серед очисних виробок найменшим ступенем небезпеки характеризуються щитові вибої (П=0,27), середнім ступенем небезпеки (П=1) - уступні лави, найбільшої (П=1,51) - комбайнові, однак число травмованих на 1 явище в комбайнових лавах найменше - 0,23 у порівнянні з уступами (0,47) і щитовими вибоями (0,57), що порозумівається тим, що виїмка вугілля комбайнами ведеться без присутності людей в очисному вибої.

З аналізу розподілу по виду робіт, що передують раптовим обваленням, випливає, що усі вони відбулися при провадженні робіт у вибоях, у більшості випадків (75 %) при виїмці вугілля.

По способах керування гірничім тиском найбільш небезпечним є утримання бічних порід на кострах (П=1,4). Інші способи: повне обвалення, плавне опускання, різні види закладки - мають показник небезпеки середнього і нижче середнього ступеня.

За результатами аналізу умов розробки 66 шахтопластів ЦРД установлена наступна закономірність: у гірничотехнічних умовах, що характеризуються меншими величинами зближення бічних порід (нижні уступи лав, кутки уступів, прямолінійні лави, куткові ділянки щитових лав) імовірність прояву раптових обвалень вугілля вище, ніж в умовах, що характеризуються великими величинами зближення. Це свідчить про більше защемлення крайової частини пласта при підвищених величинах зближення бічних порід, що перешкоджає прояву раптових обвалень вугілля.

Аналіз геомеханічних умов раптових обвалень вугілля показує, що майже половина з них (48,6 %) відбулася в області впливу очисних робіт сусідніх пластів. При цьому велика частина цих явищ (74,4 %) відбулася в зонах підвищеного гірничого тиску (ПГТ), інша частина - у зонах над- і підробки. По виду джерела утворення зон ПГТ ве-

лика частина явищ приходиться на зони, утворені створами очисних робіт на сусідніх пластах (41,5 % від усіх явищ, що відбулися в зонах ПГТ), інша частина - на зони, утворені крайовою частиною пластів і ціликами вугілля. Найбільш небезпечними є зони ПГТ, утворені створами зупинених виробок, у порівнянні з зонами ПГТ, утвореними створами очисних робіт у розрізних пічок. Перехід зазначених зон ПГТ у напрямку виробленого простору з боку масиву вугілля є більш безпечним, чим перехід цих зон у протилежному напрямку.

Аналіз раптових обвалень вугілля в над- і підробленій товщі показав, що їхній прояв не виключається при потужності міжпласття до 40 м. Мінімальна потужність міжпласття при який виключаються ГДЯ - при надроблюванні - 10 м, при підроблюванні 26...30м.

Механізм прояву і характеристичні ознаки раптових обвалень вугілля. Установлено, що порушення вугільного пласта відбувається під впливом численних факторів, серед яких основними є наявність зон геологічних порушень і гірничій тиск.

Крім того, вугільний пласт перетерплює додаткове руйнування в результаті сорбційної здатності вугілля і расклиніючої дії рідких плівок, що утворяться в результаті фазового переходу суміші метану і його вищих похідних (етан, пропан)

Деформування вугільного пласта, перетвореного під дією вищевказаних процесів у сипуче середовище, відповідно до сучасних представлень механіки сипучих середовищ, може бути описано ділатансійною моделлю, відповідно до якої порушення рівноважного стану сипучого матеріалу відбувається послідовно, починаючи з утворення першої поверхні ковзання. Наступна поверхня ковзання утворюється після об'ємного розширення (ділатансії) сипучого матеріалу уздовж попередньої поверхні.

Отже, для запобігання раптового обвалення вугілля необхідно забезпечити стійкість вугільного масиву в межах першої поверхні ковзання, що дозволить зберегти стійкість вугільного масиву в цілому.

Розглянутий механізм прояву раптових обвалень вугілля підтверджується результатами досліджень змісту гомологів метану в пробах вугілля, відібраних з осередку ГДЯ на різних від нього відстанях на шахтах “Північна” (пл. ), “Кочегарка” ( ), ім. Румянцева ( ) і ім. Iзотова ( ).

Установлено, що максимальні значення коефіцієнтів (до 32), що виражають співвідношення змісту етану, пропану і їхнього сумарного змісту до змісту метану, відповідають пробам вугілля, відібраним безпосередньо з осередку ГДЯ. В міру видалення від осередку, значення коефіцієнтів зменшуються.

Дослідження характеристичних ознак раптових обвалень вугілля дозволили установити наступне: найбільш розповсюдженою формою порожнин є свічкообразна (40 % від загальної кількості обвалень), кишеньовидна форма характерна для прямолінійних вибоїв комбайнових лав; усі порожнини орієнтовані по підйому пласта, як правило, розмір порожнин по підйому пласта перевищує розмір порожнин по простяганню.

Відносне газовиділення при раптових обваленнях вугілля змінювалося в межах 1...78,3 м3/т, у 94 % випадків воно не перевищувало 30 м3/т, тобто приблизно знаходилося в межах природної газоносності пластів; величина викиду вугілля при раптових обваленнях у підготовчих і нарізних виробках змінювалася від 2 до 15м, складаючи в середньому 5,9 м (середнє квадратичне відхилення 2,4м); величина кута укосу вугілля, що обрушилося в підготовчих виробках, у 73 % випадків знаходилася в межах 40...55о, складаючи в середньому 44о (середнє квадратичне відхилення 9,4о); інтенсивність раптових обвалень вугілля І зростає зі збільшенням потужності пласта відповідно до залежності

. (3)

Розподіл величин викиду вугілля задовільно описується гама-розподілом

, (4)

де ,- параметри розподілу (=6,6745; =1,1339).

Розробка методів прогнозу схильності вугільних пластів до раптових обвалень вугілля. Установлено, що найбільш інформативними показниками оцінки схильності вугільних пластів до раптових обвалень є міцність пласта, визначена за допомогою приладу П-1, і зруйновність вугілля, визначена за результатами ситового аналізу. Узагальнення результатів досліджень дозволило установити:

1) схильні до раптових обвалень пласти (чи пачки потужністю не менш 0,1 м) мають низьку міцність q=30-60 у.о.;

2) міцність небезпечних по раптовим обваленням пластів у 1,1 рази (у середньому) нижче міцності загрозливих пластів;

3) раптові обвалення вугілля відбувалися на пластах з міцністю q<70 у.о.; при міцності пластів q>70 у.о. раптових обвалень не відзначено навіть при газообільності виробок 48 м3/т;

4) між типом тектонічної порушеності пластів I і зруйновністтю вугілля R (мм-1) існує залежність I=0,5R;

5) усі небезпечні по раптовим обваленням пласти мають структуру III...V типів тектонічної порушеності, причому рівень IV...V типів порушеності складає 75 % від загальної кількості проб, відібраних з небезпечних пластів;

6) зруйновність небезпечних пластів у середньому в 1,7 рази вище зруйновності загрозливих і в 2,5 рази вище зруйновності безпечних пластів.

Прогноз небезпеки пластів (ділянок) по раптовим обваленням включає визначення потужності пласта, його поверхневої міцності q і зруйновності R. Порядок проведення прогнозу і параметри приведені на схемі (мал.). При міцності вугілля q<60 у.о. ділянка пласта вважається потенційно небезпечною по раптовим обваленням і на ній визначається зруйновність вугілля, по величині якої встановлюється тип тектонічної порушеності вугілля по установленій вище залежності.

Заходи щодо запобігання раптових обвалень вугілля. Вибір способів запобігання раптових обвалень повинний здійснюватися виходячи з вимог усунення можливості обвалення нависаючого масиву вугілля шляхом: установки додаткової кріпи; підвищення міцності вугільного масиву нагнітанням у нього скріпних складів; випереджального кріплення вугільного масиву в місці його наступного оголення при виїмці.

Розроблені й уточнені параметри технологічних і спеціальних способів запобігання раптових обвалень вугілля.

Розрахунок кріпи для утримання нависаючого масиву вугілля від обвалення може бути виконаний по формулі

, (5)

де n - кількість стійок на 1 м довжини нависаючого масиву;

- тиск із боку нависаючого масиву вугілля, кН/м;

- початковий розпір стійки кріпи, кН;

- коефіцієнт тертя кріпи об бічні породи.

При потужності пласта m<1,2 м досить установлювати стійки кріпи через 0,3 м по простяганню, при 1,2<m<1,5 м - необхідне зведення органної кріпи і при m<1,5 м - зведення чи посилення подвійної органної кріпи.

У результаті статистичної обробки даних про кути нахилу порожнин кишеньовидної форми (комбайнові лави) і укосу вугілля, що обрушилося, установлено, що раптові обвалення практично виключаються при куті нахилу очисного вибою до лінії падіння пласта 40о і більш.

Доведено, що найбільш ефективним способом запобігання обвалень є застосування випереджальної кріпи з використанням пінополіуретанових складів (хіманкерування). При цьому способі за рахунок проникнення скріпного складу в порожнечі і тріщини навколо стрижнів утвориться монолітний вугільний блок, що забезпечує стійкість нависаючого масиву при його оголенні.

Параметри способу встановлені за результатами його застосування в очисних і підготовчих вибоях при розробці пластів, схильних до раптових обвалень, на шахтах “Булавинська” (, ), ім. К. Маркса ( ), “Червоний Профінтерн” ( ), “Кочегарка” ( ) та ін. Утворення єдиного монолітного блоку вугілля по потужності пласта досягається при відстані між шпурами не більш 0,3 м. Величина незнижуваного випередження 0,7 м виявлялася достатньої для надійної роботи випереджальної кріпи, при виїмці вугілля вибуховим способом незнижуване випередження необхідно приймати не менш 1,0м. Довжина шпурів L визначається по формулі:

L = n lз + lн (6)

де n - кількість західок;

lз - глибина західки;

lн - величина незнижуваного випередження.

Залежність зусилля закріплення анкерів Р (кН) від довжини частини анкера, що закріплюється, у шпурі l (м) має лінійний характер:

Р = 148,4 l . (7)

Тому що майже всі пласти, схильні до раптових обвалень вугілля, одночасно схильні до раптових викидів вугілля і газу, для їхньої безпечної виїмки розроблений комплекс заходів, що сполучає заходи проти раптових викидів (гідророзпушування, випереджальні свердловини, розвантажувальні пази) з мірами проти раптових обвалень вугілля (випереджальне кріплення з використанням пінополіуретанових складів, технологічні пази).

Основні положення по безпечній розробці пластів схильних до раптових обвалень вугілля, їхня дослідна перевірка і впровадження. Основні положення включають: характеристику раптових обвалень вугілля; поділ шахтопластів і ділянок на категорії небезпеки; прогноз небезпеки вугільних пластів і ділянок по раптовим обваленням вугілля; технологію ведення гірничих робіт, що знижує імовірність виникнення цих явищ; заходи щодо їх запобігання; комплекс заходів для безпечної розробки пластів, одночасно схильних до раптових викидів і обвалень вугілля.

Прогноз по міцності вугілля призначений для визначення категорії небезпеки пластів, а також установлення небезпечних і безпечних ділянок по раптовим обваленням вугілля при веденні очисних і підготовчих робіт. Порядок проведення прогнозу викладений на мал.

Технологія розробки пластів, небезпечних і загрозливих по раптовим обваленням вугілля, включає: технологічні схеми розробки; керування гірничім тиском; кріплення вугільного масиву. Рекомендуються наступні технологічні схеми: широкими смугами (лавами) по падінню з виїмкою вугілля щитовими агрегатами; лавами по простяганню з прямолінійною формою вибою.

При розробці пластів лавами по простяганню з стелеуступною формою вибою і виїмкою вугілля відбійними молотками в уступах необхідне застосування заходів щодо запобігання раптових обвалень вугілля. Безпека робіт при даній технологічній схемі досягається: скороченням числа кутків у лаві за рахунок збільшення довжини уступів; зміною кутів сполучення кутків з вибоєм з 90 до 135о (“косі” уступи); нахилом лінії вибоїв в уступах убік масиву вугілля; винесенням кутків за зони впливу геологічних порушень і ПГТ.

Способи керування гірничім тиском в очисних вибоях повинні виключати чи зводити до мінімуму динамічні навантаження на вугільний пласт з боку бічних порід, забезпечувати їхнє рівномірне зближення у виробленому просторі. До них відносяться плавне опускання, повне обвалення, закладка виробленого простору.

На небезпечних і особливо небезпечних ділянках повинні застосовувати спеціальні способи запобігання раптових обвалень вугілля: технологічні пази, випереджальне кріплення з використанням пінополіуретанових складів (хіманкерування).

На пластах, одночасно небезпечних по раптовим викидам вугілля і газу й обваленням вугілля, застосовують комплекс заходів щодо запобігання кожного з зазначених видів ГДЯ.

Дослідна перевірка і впровадження прогнозу небезпеки по раптовим обваленням вугілля здійснена на шахтах ім. Калініна (), ім. Iзотова ( , ), ім. Гагаріна ( , ), “Комсомолець” ( , , ), “Ольховатська” ( ). Помилок 1-го роду не відзначено.

При застосуванні хіманкерування в небезпечних зонах, установлених прогнозом, пройдено 245 м відкаточного штреку на шахті “Комсомолець” (), 120 м на шахті “Червоний Профінтерн” ( ) і 130 м на шахті “Олександр-Захід”, ( ) без прояву раптових обвалень вугілля. На шахті “Булавинська” ( ) хіманкерування успішно застосовувалося в стелеуступній лаві в плині 1,5 року.

Підошвоуступні лави з нахилом вибою на масив вугілля без прояву раптових обвалень протягом багатьох літ працюють на пласті шахти ім. Румянцева (гор. 970-1090 - захід).

Застосування прогнозу небезпеки по раптовим обвалення вугілля забезпечує економічний ефект за рахунок різниці у витратах на постійне виконання заходів щодо запобігання раптових обвалень вугілля і витрат на проведення прогнозу. Річний економічний ефект, без обліку витрат на ліквідацію наслідків обвалень і виплату різних посібників і регресів, складає 1,3 млн. гр.

ВИСНОВКИ

У дисертації міститься рішення актуальної наукової і практичної задачі по безпечному веденню гірничих робіт на пластах, схильних до раптових обвалень вугілля, на основі забезпечення стійкості вугільного масиву шляхом диференційованого застосування комплексу мір на ділянках пласта, на яких вугілля під впливом гірничо-геологічних і геомеханічних факторів трансформується в сипуче середовище.

Основні наукові і практичні результати роботи полягають у наступному.

1. Визначено залежності прояву раптових обвалень вугілля від гірничо-геологічних умов залягання вугільних пластів, гірничотехнічних і геомеханічних умов їхньої розробки. Установлено, що 35 % раптових обвалень вугілля відбулися в зонах впливу геологічних порушень; найбільш небезпечними по раптовим обваленням є ділянки пластів зі зміною потужності на 15 % і більш, а також пласти (пачки), складені вугіллям III-V типів тектонічної порушеності. Прояв раптових обвалень вугілля зростає зі збільшенням потужності розроблюваного пласта і глибини розробки. Більш половини (57%) раптових обвалень вугілля відбулися в очисних виробках, серед них найбільший ступінь небезпеки мають комбайнові лави, потім - уступні вибої і найменшу - щитові вибої, однак комбайнові лави мають найменший показник травматизму. По способах керування гірничім тиском найбільш безпечними є плавне опускання, повне обвалення, закладка виробленого простору.

Майже половина (48,6%) раптових обвалень вугілля відбулася в області впливу очисних виробок сусідніх пластів, при цьому велика частина (74,4%) явищ приходиться на зони ПГТ, утворені створами зупинених вибоїв і крайових частин сусідніх пластів; прояв раптових обвалень вугілля не виключається в над- і підроблених зонах.

2. Установлено, що схильний до раптових обвалень пласт являє собою сипуче середовище, можливість обвалення (висипання) якого залежить від характеру поводження бічних порід: зависання порід покрівлі у виробленому просторі і наступне їх обвалення сприяють прояву процесу обвалення вугілля. Перетворення вугільного пласта в сипуче середовище відбувається під впливом наступних факторів: геологічних, гірничого тиску, сорбційного зниження міцності, расклиніючої дії рідких плівок, що утворюються в результаті фазового переходу суміші метану і його гомологів. Деформування вугільного пласта як сипучого середовища відповідно до сучасних представлень може бути описано ділатансійною моделлю, відповідно до якої порушення рівноважного стану пласта відбувається послідовно, починаючи з утворення першої поверхні ковзання (у результаті зняття “защемлення” пласта), подальшого розширення (ділатансії) вугілля уздовж цієї поверхні ковзання і т.д. до встановлення рівноважного стану.

3. Характеристичними ознаками раптових обвалень вугілля є: форма порожнини (найбільш розповсюджена - свічкообразна, для комбайнових лав - кишеньовидна), орієнтована порожнина по підйому пласта; як правило, висота порожнини перевищує ширину; відносне газовиділення в більшості випадків не перевищувало природної газоносності пластів; величина викиду вугілля складала в середньому 5,9 м, а кут укосу – 44о.

4. Інформативними показниками оцінки схильності вугільних пластів до раптових обвалень є: поверхнева міцність і зруйновність вугілля. Установлено, що схильними до раптових обвалень є пласти (пачки), складені вугіллям міцністю q70 у.о.; при міцності q>70 у.о. раптових обвалень вугілля не відзначено навіть при високій газообільності гірничих виробок. Установлено залежність типу тектонічної порушеності пласта від зруйновності вугілля.

Розроблено прогноз небезпеки раптових обвалень вугілля по міцності, що включає визначення потужності пласта, його поверхневої міцності q і зруйновності R (див. мал.).

5. Встановлені й уточнені деякі параметри технологічних і спеціальних способів запобігання раптових обвалень вугілля. Запропоновано розрахунок кріпи для утримання нависаючого масиву вугілля від обвалення. Визначено кути нахилу вибоїв прямолінійних лав (комбайнові, підошвоуступні) з умови забезпечення стійкості вугільного масиву. Визначено параметри випереджальної кріпи з використанням пінополіуретанових складів.

6. Розроблено основні положення по безпечній розробці пластів, схильних до раптових обвалень вугілля, а також пластів, одночасно схильних до раптових викидів і обвалень вугілля.

7. Економічний ефект від упровадження результатів виконаної роботи складає 1,3 млн. гр. у рік.

Висновки і пропозиції по роботі використані і ввійшли складовою частиною в 2 нормативно-методичних документи.

Список опублікованих робіт за темою дисертації

1. Тихолиз А.М. Технологические и горнотехнические условия проявления внезапных обрушений угля// Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. –Макеевка: МакНИИ. -1998. -C. 110-118.

2. Тихолиз А.М. Характеристические признаки внезапных обрушений угля // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. – Макеевка: МакНИИ -1999. -C. 81-86.

3. Новичихин И.А., Тихолиз А.М. Особенности проявления газодинамических явлений в зонах повышенного горного давления (ПГД) // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. – Макеевка: МакНИИ. -1996. -C. 21-32.

4. Южанин И.А., Жимчича И.М., Тихолиз А.М. Прогноз опасности угольных пластов по внезапным обрушениям угля по его прочности // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. – Макеевка: МакНИИ. -1996. -C. 62-70.

5. Тихолиз А.М., Южанин И.А., Евдокимова В.П. Горно-геологические условия проявления внезапных обрушений угля // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. – Макеевка: МакНИИ. -2000. -C. 21-32.

6. Вайнштейн Л.А., Южанин И.А., Новичихин И.А., Тихолиз А.М. Направления совершенствования технологии щитовой выемки угольных пластов, опасных по газодинамическим явлениям // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. - Макеевка: МакНИИ. - 1993. - C. 4-14.

7. Южанин И.А., Новичихин И.А., Тихолиз А.М., Ориничев С.А. Основные положения по безопасной разработке пластов, одновременно склонных к внезапным выбросам и обрушениям угля// Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. - Макеевка: МакНИИ. - 1995. - C. 110-114.

8. Тихолиз А.М., Южанин И.А., Новичихин И.А., Ориничев С.А. Влияние глубины разработки на изменение газодинамической активности угольных пластов. // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. – Макеевка: МакНИИ. - 1996. - C. 243-246.

9. Тихолиз А.М., Новичихин И.А., Южанин И.А., Евдокимова В.П. О газодинамических явлениях в над (под) работанных зонах // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. – Макеевка: МакНИИ. - 1996. C. 235-240.

10. Пат. 20625 А Украины, МКИ Е 21 F 5/00. Способ определения защитного действия при опережающей надработке пластов/ И.А.Южанин, И.А.Новичихин, А.М.Тихолиз, В.П.Евдокимова; заявл. 04.03.98; Бюл №1.-4c.

11.Тихолиз А.М. Опыт предотвращения обрушений (высыпаний) угля на крутых пластах возведением опережающей крепи с примене-нием пенополиуретана. //Тезисы докладов участников республикан-ской конференции молодых ученых “Проблемы совершенствования безопасности горных работ на угольных шахтах”. - Донецк, 1991. C. 52-53.

12. Южанин И.А., Новичихин И.А., Тихолиз А.М. Повышение безопасности и эффективности разработки угольных пластов, склон-ных к обрушениям (высыпаниям) угля //Рефераты докладов на Меж-дународном симпозиуме по горным ударам и внезапным выбросам в шахтах: Теоретическое обоснование, прогнозирование, предупрежде-ние и обеспечение защиты. Санкт-Петербург 05 - 09.06.94.

Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих у співавторстві: 3,4,5,6,7,8, - аналіз гірничо-геологічних, гірничотехнічних і геомеханічних умов прояву газодинамічних явищ; 3 - обробка й аналіз результатів гірничо-експериментальних робіт; 4 – визначення залежності ступеня порушеності вугілля від його зруйновності і розробка параметрів прогнозу небезпеки вугільних пластів і ділянок по раптовим обваленням вугілля; 11 - формулювання загальної концепції безпечної розробки пластів, схильних до раптових обвалень вугілля.

АНОТАЦІЯ

Тихоліз О.М. Обґрунтування і розробка комплексу заходів для запобігання раптових обвалень вугілля. - Рукопис.

Дисертація на здобуття ученого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.26.01 - Охорона праці. - Державний Макіївський науково-дослідний інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості, Макіївка, 2001.

У дисертації дане науково обґрунтоване рішення питань безпечної розробки пластів, схильних до раптових обвалень вугілля, а також пластів, одночасно схильних до раптових викидів і обвалень вугілля: прогнозу небезпеки вугільних пластів і ділянок по раптовим обваленням вугілля по міцності; технології ведення гірничих робіт, що знижує імовірність виникнення раптових обвалень вугілля; заходів щодо запобігання раптових обвалень вугілля і комплексу заходів для безпечної розробки пластів, одночасно схильних до раптових викидів і обвалень вугілля. Результати роботи використані при розробці 2 нормативно-методичних документів.

Основні наукові і практичні результати роботи полягають у наступному:

1.

2.

3. Характеристичними ознаками раптових обвалень вугілля є: форма порожнини, орієнтована порожнина по підйому пласта, як правило, висота порожнини перевищує ширину; відносне газовиділення не перевищує природної газоносності пластів; величина викиду вугілля склала в середньому 5,9 м, а кут укосу – 44о.

4. Установлено, що схильними до раптових обвалень є пласти (пачки), складені вугіллям міцністю q < 70 у.о., при міцності q > 70 у.о. раптових обвалень вугілля не відзначено. Установлено залежність типу тектонічної порушеності пласта від зруйновності вугілля.

Розроблено прогноз небезпеки раптових обвалень вугілля по міцності, що включає визначення потужності пласта, його поверхневої міцності q і зруйновності R.

5. Встановлені й уточнені деякі параметри технологічних і спеціальних способів запобігання раптових обвалень вугілля. Запропоновано розрахунок кріпи для утримання нависаючого масиву вугілля від обвалення. Визначено кути нахилу вибоїв прямолінійних лав виходячи з умови забезпечення стійкості вугільного масиву. Визначено параметри випереджальної кріпи з використанням пінополіуретанових складів.

6. Розроблено основні положення по безпечній розробці пластів, схильних до раптових обвалень вугілля, а також пластів, одночасно схильних до раптових викидів і обвалень вугілля.

Ключові слова: раптове обвалення (висипання) вугілля, раптовий викид вугілля і газу, умови прояву, характеристичні ознаки, міцність пласта, зруйновність вугілля, гомологи метану, прогноз небезпеки, технологія ведення гірничих робіт, заходи щодо запобігання.

АННОТАЦИЯ

Тихолиз А.М. Обоснование и разработка комплекса мер по предотвращению внезапных обрушений угля. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.26.01 – Охрана труда. - Государственный Макеевский научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности, Макеевка, 2001.

В диссертации дано научно обоснованное решение вопросов безопасной разработки пластов, склонных к внезапным обрушениям угля, а также пластов, одновременно склонных к внезапным выбросам и обрушениям угля: прогноза опасности угольных пластов и участков по внезапным обрушениям угля по прочности; технологии ведения горных робот, снижающей вероятность возникновения внезапных обрушений угля; мероприятий по предотвращению внезапных обрушений угля и комплекса мер по безопасной разработке пластов, оновременно склонных к внезапным выбросам и обрушениям угля. Результаты работы использованы при разработке 2 нормативно-методических документов.

Ключевые слова: внезапное обрушение (высыпание) угля, внезапный выброс угля и газа, условия проявления, характеристические признаки, прочность пласта, разрушаемость угля, гомологи метана, прогноз опасности, технология ведения горных работ, мероприятия по предотвращению.

SUMMARY

Tiholiz A.M. A substantiation and development of measures complex on prevention of coal falls. - Manuscript.

The thesis for candidate’s degree in science (Engineering) on speciality 05.26.01. – labour protection. - State Safety in Mines Research Institute (MakNII), Makeyevka, 2001.

In the thesis the scientifically proved solution of questions of safe seams mining of liable to falls of coal, and also seams simultaneously liable to sudden coal outbursts and coal falls is given: the forecast of hazard of coal seams and sites on falls of coal by