Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

Антощенко Микола Іванович

УДК 622.411.33:622.817.47

Прогноз та керування газовиділенням із

вироблених просторів відпрацьованих лав

у вугільних шахтах

Спеціальність 05.26.01 – Охорона праці

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня

доктора технічних наук

Дніпропетровськ – 2004

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Макіївському науково-дослідному інституті з безпеки робіт в гірничій промисловості (МакНДІ) і Донбаському гірничо-металур-гійному інституті (ДГМІ).

Науковий консультант - доктор технічних наук, професор

Бондаренко Володимир Ілліч,

проректор з наукової роботи Національного гір-

ничого університету, Міністерство освіти і науки

України (м. Дніпропетровськ).

Офіційні опоненти:

-доктор технічних наук, професор

Агафонов Олександр Васильович,

директор Донецького експертнотехнічного центру

Держнаглядохоронпраці України;

-доктор технічних наук, професор

КРЕМЕНЧУЦЬКИЙ Микола Феофанович,

професор кафедри аерології та охорони праці

Національного гірничого університету, Міністерство

освіти і науки України (м. Дніпропетровськ);

-доктор технічних наук, професор

Медведєв Едуард Миколайович,

завідувач кафедри безпеки життєдіяльності

Макіївського економіко-гуманітарного інституту,

Міністерство освіти і науки України.

Провідна організація: Донецький національний технічний

університет, Міністерство освіти і науки

України, кафедра охорони праці та аерології.

Захист відбудеться “9” грудня 2004 р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої Ради Д 08.080.07 при Національному гірничому університеті за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса,19

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного гірничого університету за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса,19

Автореферат розіслано “7” листопада 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої ради,

кандидат технічних наук, доцент А.А. Колб

Загальна характеристика роботи

Стан i актуальність проблеми. У відповідності із законодавством України про охорону праці, забезпечення безпеки на промислових об’єктах, в тому числі й вугільних шахтах, є невід’ємною частиною державної політики в галузі охорони життя і здоров’я людей, національного багатства і навколишнього природного середовища.

При загальному зниженні видобутку вугілля, на жаль, не припинились аварії, пов’язані з вибухами газу у шахтах. Створення безпечних умов з газового фактору на робочих місцях залишається актуальною проблемою. Підтвердженням цьому є низка аварій, що сталися на шахтах Донбасу в останні роки.

Аналіз літературних джерел і практика проведення гірничих робіт показують, що до цього часу недостатньо вивченими залишаються газовиділення із вироблених просторів раніше відпрацьованих лав. За деяких умов такі газо- проявлення є аномальними, оскільки можуть в 2-3 рази перевищувати звичайні метановиділення у виробки діючих виїмкових дільниць. Внаслідок недостатнього вивчення, на стадії проектування провітрювання виробок виїмкових дільниць і шахт у цілому, не враховується можливість аномальних газопроявів, пов’язаних з такими газовиділеннями. З цієї причини можуть створюватися умови реальної загрози вибухів метаноповітряних сумішей. Здійснювані заходи не завжди дають бажаний результат, оскільки через відсутність методичних рекомендацій на практиці складно встановити безпосереднє джерело і місце газовиділень у виробленому просторі. Створення безпечних умов зв’язано з ефективною дегазацією таких джерел і застосуванням схем провітрювання виїмкових дільниць з урахуванням розміщення і напрямку загально шахтних потоків повітря в гірничих виробках.

У зв’язку з цим розкриття особливостей газопроявів із вироблених просторів відпрацьованих лав і розробка наукових основ прогнозу метановиділень із цього джерела, запобігання загазовування гірничих виробок є актуальною науково-технічною проблемою, розв’язання якої дасть можливість суттєво підвищити безпеку проведення гірничих робіт.

Зв’язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана за програмами “Розробити і впровадити ефективні технологічні схеми дегазації супутників при виїмці пластів стовповими системами і високим навантаженням на вибій” у відповідності до планів науково-дослідних робіт МакНДІ і ДГМІ і зазначена у звітах про НДР №76023857, 76073857, 307405, 170101000-104, ДР№ 0100U001272, які виконувалися автором як керівником чи відповідальним виконавцем.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розкриття механізму газовиділення із вироблених просторів відпрацьованих лав і розробка наукових основ прогнозу метановиділення у вугільних шахтах, встановлення факторів, що визначають ефективність схем провітрювання і дегазації виїмкових дільниць під час активізації зрушування порід.

Для досягнення поставленої мети слід вирішити такі завдання:

- виконати аналіз сучасних уявлень про процеси утворення газу у вугільних родовищах і формах знаходження метану у вугіллі і породах. Розглянути умови і причини, які спричиняють газовиділенню у гірничі виробки і дегазаційні свердловини;

- розробити дерево укрупнених проблем, що дозволить запропонувати концепцію подальшого розвитку наукових основ для вирішення завдання безпечного відпрацювання газоносних вугільних пластів;

- виконати теоретичні дослідження щодо встановлення залежності газовиділення від параметрів зрушування і напруженого стану підроблених пластів і вугленосних порід і на основі одержаних результатів розробити модель, що якісно характеризує процеси зрушування порід і газовиділення при розвитку очисних робіт;

- дослідити газовиділення з вироблених просторів відпрацьованих лав при зрушуванні порід над загальним з експлуатованою лавою виробленим простором;

- провести експериментальну оцінку газовиділень, викликаних первинними і вторинними зрушуваннями порід;

- вдосконалити класифікацію схем провітрювання і дегазації виїмкових дільниць з урахуванням особливостей процесів газовиділення із вироблених просторів відпрацьованих лав;

- розробити основні положення прогнозу метановиділення у вугільних шахтах, які враховують особливості утворення в підпрацьованих породах зон з різним напруженим станом.

Об’єкт дослідження – процес газовиділення із вироблених просторів експлуатованих і відпрацьованих виїмкових дільниць.

Предмет дослідження – особливості й характеристики процесу газовиділення з вироблених просторів відпрацьованих лав, викликані вторинними зрушуваннями порід (активізацією), які можуть бути використані для вдосконалення прогнозу метановиділення у вугільних шахтах і розробки ефективних заходів безпечного відпрацювання газоносних вугільних пластів.

Методи дослідження. При проведенні досліджень використані теоретичні і експериментальні методи, які базуються на теорії про форми знаходження газу у вугіллі, умови і фактори порушення природної рівноваги системи газ-вугілля, зрушування порід при проведенні гірничих робіт, експериментальне визначення режимів провітрювання і дегазації виїмкових дільниць у шахтних умовах з обробкою даних методами математичної статистики.

Ідея роботи полягає в розкритті механізму газовиділення із вироблених просторів експлуатованих і відпрацьованих виїмкових дільниць при розвитку очисних робіт в двох взаємно перпендикулярних напрямках з урахуванням особливостей порушення природного стану рівноваги системи газ-вугілля зближених пластів і утворенні в підпрацьованих породах зон з різним напруженим станом, об’єми і положення яких в просторі достовірно визначаються розмірами очисних виробок і параметрами мульд зрушування земної поверхні.

Основні наукові положення і результати, їх новизна.

Наукові положення:

1. НаННа відміну від існуючих гіпотез залежність газовиділення із вироблених просторів відпрацьованих лав визначається активізацією зрушування порід над спільним виробленим простором діючої і зупинених очисних виробок.

2. Максимальна ефективність дегазації (до 90%) досягається в зонах активізації зрушування порід при розташуванні свердловин попереду діючої лави і над очисним вибоєм зупиненої суміжної дільниці. Буріння свердловин тільки попереду лави забезпечує ефективність 38,8 – 43,9%, а в зонах погашення порожнин розшарування після проходу очисного вибою – не більше 5,0-12,4%.

3. Ефективне керування газовиділенням із відпрацьованих просторів за рахунок зміни напрямків витоків повітря можливе, якщо межа міцності на одноосне стиснення порід безпосередньої і основної покрівлі перевищує гірничий тиск на підошву пласта, що розробляється, в 3,6-6,3 рази, керування газовиділенням не можливе коли межа міцності менше ніж гірничий тиск.

4. Збільшення швидкості просування очисного вибою з 0,9 до 4,3 м/доб не призводить до переміщення зони максимального газовиділення у бік виробленого простору. Вона має постійне положення відносно очисного вибою.

Наукові результати:

1. Розроблена якісна модель газовиділення, яка враховує порушення природної рівноваги системи газ-вугілля зближених пластів у всій підпрацьованій товщі від пласта, що розробляється, до земної поверхні при послідовному переході вугленосних порід з одного напруженого стану в інший над рухомим очисним вибоєм чи дискретному збільшенні виробленого простору на довжину експлуатованої лави. Це дозволило вперше теоретично обґрунтувати і експериментально підтвердити залежність рівня газовиділення із зон з різним напруженим станом порід від ступеня розвитку очисних робіт, встановити вісім зон можливого газовиділення, виявити сім характерних періодів процесу газовиділення в свердловини і виробки при віддаленні очисного вибою від розрізної печі, розробити схему зміни газовиділення в зонах впливу ціликів вугілля, залишених на зближених пластах.

2. Досліджене формування зон можливого газовиділення при активізації зрушування порід над виробленим простором з урахуванням параметрів мульд, що утворилися на земній поверхні і розмірів очисних виробок. Для визначення співвідношення підпрацьованості порід над виробленими просторами діючих і відпрацьованих виїмкових дільниць запропоновані аналітичні залежності, що враховують глибину робіт, потужність пласта, що розробляється, кут його падіння, склад і властивості вугленосних порід, ступінь метаморфізму.

3. Встановлена корелятивна залежність між кількістю газу, що виділився із вироблених просторів відпрацьованих лав і об’ємами мульд зрушування земної поверхні, спричинених відпрацюванням чергової виїмкової дільниці. Парні коефіцієнти кореляції між цими факторами склали відповідно для різних методик визначення параметрів зрушування 0,87 і 0,90. Надійність іх визначення дорівнює 95%.

4. Виявлені відмінні особливості газовиділення при активізації зрушування порід і встановлені умови виникнення, які дають можливість класифікувати його як окремий (особливий) вид метановиділення у вугільних шахтах. Вперше експериментально визначено рівні газовиділення із зон з різним напруженим станом порід при активізації їх зрушування.

5. В умовах безціликової виїмки вугілля експериментально проведено кількісну оцінку впливу окремих факторів на ефективність дегазаційних свердловин: гасіння вентиляційної виробки позад очисного вибою (до 40%), вид вентиляційного струменя повітря (6,8-12,1%), напрямки витоків повітря через вироблені простори (3,9-7,4%). Це дає можливість при виборі схем дегазації враховувати дванадцять факторів замість чотирьох, які використовуються зараз.

6. Створена концепція, яка узагальнює процеси всього циклу порушення природного стану підпрацьованих пластів і порід і відновлення їх вихідного стану (повного чи часткового) і розвиває наукові основи для розв’язання завдань безпечного відпрацювання газоносних вугільних пластів. Такими завданнями є прогноз газовиділення із вироблених просторів лав, що експлуатуються і відпрацьовані, вибір раціональних схем провітрювання і дегазації виїмкових дільниць, керування витоками повітря через вироблені простори.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджуються: застосуванням сучасних методів теоретичного аналізу з урахуванням загальноприйнятих чи обґрунтованих припущень, об’ємом і тривалістю (більше десяти років) шахтних експериментів, позитивними результатами перевірки рекомендованих заходів боротьби з газом у виробничих умовах, виданням кількох галузевих нормативних документів.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що вони використані як методологічна основа при розробці нормативних документів, рекомендацій, пропозицій, технічних рішень і способів, які підвищують безпеку відпрацювання газоносних вугільних пластів.

Розроблені схеми провітрювання і дегазації виїмкових дільниць при активізації зрушування порід. Вони впроваджені в умовах шахти ім. газети “Известия” ДХК “Донбассантрацит”, а саме:

- схема дегазації зупиненої виїмкової дільниці;

- схема дегазації зближених пластів, що попадають в зону активізації зрушування порід попереду очисного вибою;

- схема попередньої дегазації зближених пластів і вміщуючих порід у зонах впливу вугільних ціликів;

- схеми провітрювання виїмкових дільниць, що виключають виділення метану в дільничні виробки при активізації зрушування порід.

В умовах шахт “Алмазна” і “Хрустальна” ДХК “Донбасантрацит” використано схему буріння свердловин з поверхні для добування газу поза зоною безпосереднього впливу очисних робіт з використанням ефекту активізації зрушування порід, що дало можливість експлуатувати котельню шахти “Алмазна” протягом тридцяти років. Вказані впровадження схем провітрювання і дегазації підтверджуються актами ДХК “Донбасантрацит” від 9.10.2002 р.

Загальні методологічні положення прогнозу газовиділення із вироблених просторів лав, що експлуатуються або вже відпрацьовані, вибору схем провітрювання і дегазації виїмкових дільниць і їх класифікації розглянуті МакНДІ і були запропоновані для використання при підготовці до видання нових нормативних документів.

Результати виконаних досліджень спрямовані на досягнення соціального і матеріального ефекту, внаслідок забезпечення безпечних умов відпрацювання газоносних вугільних пластів.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно сформулював задачі дослідження, наукові положення і результати, виконав теоретичну та практичну частини роботи. Зміст дисертації викладено автором особисто.

В працях, опублікованих у співавторстві, індивідуальна участь дисертанта полягає в: аналізі сучасних уявлень про форми знаходження газу у вугіллі і породах, розробці дерева нерозв’язаних наукових проблем відпрацювання газоносних вугільних пластів і обґрунтування напрямів досліджень [2- 4, 24, 31], узагальненні літературних даних зміни параметрів зрушування підпрацьованих порід [5, 19, 32, 33] і земної поверхні [35], розробці моделі газовиділення і обґрунтуванні її окремих положень при розвитку гірничих робіт [1, 5-7, 13-15, 17, 18, 21, 23, 26, 31, 33, 34], постановці завдань, виборі об’єктів дослідження, проведенні і організації всіх шахтних експериментів і аналізі отриманих результатів [1, 5, 6, 8, 10, 13-19, 21, 23, 26, 29, 31-34], розробці методу оцінки стану дегазаційних систем і виборі заходів щодо підвищення ефективності їх експлуатації [1], установленні можливості ефективної попередньої дегазації в зонах впливу вугільних ціликів [14].

Апробація роботи. Результати досліджень, основні наукові і прикладні положення дисертаційної роботи доповідались на Міжнародній конференції “Безпека життєдіяльності на порозі XXI століття” (Алушта: МАНЕБ, ДГМІ, 1999); міжнародному екологічному симпозіумі “Перспективні інформаційні технології і проблеми керування ризиками на порозі нового тисячоліття” (Санкт-Петербург, МАНЕБ, 2000); міжнародній конференції “Екологія і безпека життєдіяльності – 2000” (Феодосія: МАНЕБ, ДГМІ, 2000); міжнародній конференції “Стратегія виходу з глобальної екологічної кризи” (Санкт-Петербург, МАНЕБ, 2001); міжнародній конференції “Екологія і безпека життєдіяльносі 2001” (Міжгір’я , Закарпаття, ДГМІ, 2001); міжнародній конференції “Екологія і безпека життєдіяльності” (Затока, Одеська область, Алчевськ, 2002); міжнародній конференції “Білі ночі – 2003” (Санкт-Петербург, Росія, 2003), а також на науково-методичних семінарах кафедри охорони праці і навколишнього середовища ДГМІ і на розширеному засіданні науково-технічної Ради відділу рудникової аерології МакНДІ.

Публікації. Результати дисертації опубліковані в монографії, 30 статтях спеціалізованих наукових журналів і збірників, 7 доповідях і тезах конференцій і трьох авторських свідоцтвах, усього в 41 науковій праці (з них 14 індивідуальні).

Структура і об’єм дисертації. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків і містить 289 сторінок основного тексту, 66 рисунків (з них 35 на окремих сторінках), 38 таблиць (з них 33 на окремих сторінках), список використаних літературних джерел із 191 найменування і 11 додатків. Загальний об’єм складає 489 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована наукова проблема і актуальність тематики роботи, напрям досліджень, сформульована мета і завдання, вказана наукова новизна і практична цінність одержаних результатів, а також викладена загальна характеристика дисертації.

Перший розділ присвячений аналізу стану сучасних уявлень про форми знаходження газу у вугіллі і породах [2-4, 24] і причин виділення метану в гірничі виробки. Розглянуті джерела і умови, що спричиняють газопрояви у вугільних шахтах [25].

При підпрацюванні вугільних пластів в певних умовах із них може бути видалений майже весь газ [31], але частково розвантажені від гірничого тиску зближені пласти протягом тривалого часу є потенційними джерелами метановиділення в гірничі виробки. З розвитком гірничих робіт і активізацією зрушування вугленосних порід потенційні джерела газовиділень переходять в розряд реальних, які не враховуються при розробці заходів щодо безпечного відпрацювання газоносних пластів.

На основі зроблених висновків, з урахуванням прийнятої концепції розкриття особливостей газовиділення із вироблених просторів і розвитку наукових основ прогнозу метановиділення у вугільних шахтах, сформульовано завдання необхідних досліджень.

У другому розділі виконаний аналіз теоретичних розробок і експериментальних даних, відомих із літературних джерел, що вказують на зв’язок процесу газовиділення із зрушуванням гірничих порід.

На основі узагальненої схеми зрушування і формування зон з різними напруженими станами порід під впливом очисних виробок встановлено, що для розкриття механізму газовиділення слід враховувати такі положення:

- порушення природної рівноваги систем газ-вугілля зближених пластів або газ-порода відбувається в усій підпрацьованій товщі при розмірі очисної виробки понад 0,1...0,3 глибини ведення робіт, що підтверджується утворенням мульд зрушування на земній поверхні;

- під впливом рухомого очисного вибою породи покрівлі зазнають в часі послідовно різні види механічного впливу (стиснення, розтягнення, розвантаження від гірничого тиску, його відновлення тощо);

- кожній стадії розвитку очисних робіт відповідають певні розміри зон впливу у вугленосних породах і кількість вугілля зближених пластів, що потрапляють в ці зони. Можливість виділення газу із вказаних зон залежить від мережі горизонтальних і вертикальних тріщин, що взаємно пересікаються. Поява тріщин визначається механічними властивостями порід, величиною і видом напружень, що виникають під дією очисної виїмки;

- умови виділення газу із зон порушеного природного стану вугленосних порід і зближених пластів визначаються ступенем розвитку очисних робіт в двох взаємно перпендикулярних напрямках, відповідно у бік посування очисного вибою і послідовного (чи іншого) відпрацювання лав у шахтному полі.

Для розробки науково обґрунтованого підходу до розрахунку рівня газовиділень із зближених пластів розглянуті зміни характеристик мульд зрушування з розвитком гірничих робіт над виробленим простором екплуатованих і раніше відпрацьованих очисних дільниць. На основі аналізу експериментально одержаних маркшейдерських замірів про зрушування земної поверхні при розвитку гірничих робіт, відомих із технічної літератури, запропонована спрощена схема [12, 26] формування плоского дна мульди і активізації зрушування порід. Спрощення полягало в заміні криволінійних меж мульди зрушування прямими відрізками, а також розміри мульди в головному перетині прийняли такими, що дорівнюють ширині виробленого простору. Такі припущення не вплинули на суть процесів, що аналізуються, але дали можливість спростити геометричну побудову при послідовному відпрацюванні кількох лав. Про можливість таких допущень свідчать високі парний коефіцієнт кореляції (r=0,99) і корелятивне відношення (R=0,99) між площами перетину мульд зрушування, визначеним за фактичними даними і розрахованим за спрощеним рівнянням з урахуванням запропонованої схеми формування плоского дна мульди.

За допомогою спрощеної схеми розвитку процесу зрушення порід над виробленими просторами лави, що експлуатується, і відпрацьованої лави отримано аналітичні рівняння (табл. 1). Вони дозволяють для кожного конкретного випадку відпрацювання чергової виїмкової дільниці розрахувати зміни параметрів мульд зрушування над загальним відпрацьованим простором і виділити геометричні розміри, відповідно до яких можна судити про ступінь зрушеності підпрацьованої товщі над очисною виробкою що експлуатується, і відпрацьованими. Це дає можливість оцінити очікувані об’єми газовиділення із зон зрушення природного стану системи газ-вугілля підпрацьованих зближених пластів.

Після відпрацювання першої в шахтному полі лави утворюється мульда зрушування над виробленим простором цієї виїмкової дільниці. Тому газовиділення з підпрацьованих пластів і порід можливо тільки із зон над виробленим простором експлуатованої лави, що відповідає відношенню, яка дорівнює одиниці, площі мульди в головному перетині (Sn) до площі мульди (Sв) над загальним виробленим простором (рис. 1).

Відпрацювання другої і наступних лав спричиняє процеси активізації зрушування порід і призводить до утворення мульди зрушування над загальним виробленим простором шириною В. В міру збільшення розмірів виробленого простору відпрацьованих лав зменшується частка впливу експлуатованої очисної виробки на геометричні розміри мульди зрушування. Такий вплив підтверджується експериментальними даними. Для конкретних гірничогеологічних умов зміна відношення Sn/SВ добре описується рівнянням:

, (12)

де а, b – емпіричні коефіцієнти, які характеризують гірничо-геологічні умови; Ln – довжина наступної лави, що експлуатується до повного підпрацювання земної поверхні.

В міру розвитку очисних робіт змінюються співвідношення параметрів мульди зрушування над виробленим простором лав, що експлуатуються (крива 2, див. рис.1) і відпрацьовані (крива 3). Це свідчить про можливу зміну співвідношення газовиділення із виробленого простору експлуатованої і відпрацьованих лав. Якщо виходити із залежності газовиділення від параметрів зрушування порід, то із збільшенням розмірів виробленого простору лав, що

Таблиця 1

Залежності для визначення площі мульди (її частин) в головному перетині при розвитку очисних робіт в напрямку

відпрацювання виїмкових дільниць

№ п/п | Стадія відпрацювання порід | Черговість відпрацювання очисних виробок,

(i=1…n…i) | Площа мульди чи окремих її частин в головному перетині

Загальна площа мульди SВ над виробленим простором шириною В | Частина площі мульди, зумовлена відпрацюванням чергової очисної виробки, Sn(Si) | Частина площі мульди, спричиненої активізацією зрушування порід над загальним виробленим простором при відпрацюванні наступної лави, () | Частина площі мульди, зумовлена активізацією зрушування порід над виробленим простором експлуатованої лави,

() | Частина площі мульди, спричинена активізацією зрушування порід над виробленим простором відпрацьованих лав, ()

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8

1. | До повного підпрацювання, ВВподр | 1 | (1) | --- | --- | --- | ---

n | (2) | (4) | (6) | (8) |

(10)

2 | Після повного підпрацювання, ВВподр | i | (3) | (5) |

(7) | (9) |

(11)

Умовні позначення:

В – загальна ширина виробленого простору експлуатованих і відпрацьованих лав;

В0 – ширина виробленого простору відпрацьованих лав;

Вподр – мінімальна ширина виробленого простору, при якому утворюється плоске дно мульди;

, ,– максимальне осідання земної поверхні відповідно після відпрацювання 1-ої, n-ої та i-ої лав;

0 – глибина плоского дна мульди після повного підпрацювання земної поверхні;

,– максимальне осідання земної поверхні за умов першочергового підпрацювання відповідно n-ої або i-ої лави;

L1, Ln, Li відповідно довжина 1-ої, n-ої та i-ої лав.

відпрацьовуються, слід чекати зростання газовиділення із цього джерела. Така тенденція зміни газового балансу повинна спостерігатися до повного підпрацювання земної поверхні.

Рис. 1 Розрахункові криві відношення площ мульд зрушування до повного підпрацювання земної поверхні від величини В/Ln на шахті імені П.Л. Войкова:

1- крива зміни відношення частини площі мульди зрушування, спричинена відпрацюванням наступної (n-ої) лави до площі мульди Sв над виробленим простором шириною В; 2- крива зміни відношення частини площі мульди зрушення над виробленим простором експлуатованої лави до загальної площі мульди зрушування над виробленим простором шириною В; 3 - крива зміни відношення частини площі мульди, спричиненої активізацією зрушування порід до загальної площі мульди зрушування над виробленим простором шириною В; ?, ?, х – співвідношення площ мульд зрушування, визначених за результатами інструментальних спостережень Борзих А.П. і Горового Є.П.

Після утворення плоского дна мульди активізація зрушування порід відбувається тільки над частиною виробленого простору відпрацьованих лав, що безпосередньо прилягають до виробленого простору лави, яка експлуатується. Площа частини мульди (Si), що утворилась під впливом експлуатованої лави, згідно з рівнянням (5), прямо пропорційна її довжині. Коефіцієнтом пропорційності є глибина плоского дна мульди зрушування (0). На цій стадії розвитку очисних робіт довжина експлуатованої лави є головним параметром, який визначає співвідношення площ мульд зрушування над виробленими просторами діючої і відпрацьованої лав (рис. 2). Від співвідношення цих площ залежить можливий рівень газовиділення із розглянутих джерел.

Рис. 2 Залежність співвідношення площ мульд зрушування (Si) після повного підпрацювання земної поверхні від довжини експлуатованої лави (Li): 1 – пряма зміни загальної площі мульди зрушування в головному перетині від довжини експлуатованої лави; 2 – крива зміни частини площі мульди зрушування над виробленим простором експлуатованої лави; 3 – крива зміни частини площі мульди зрушування над виробленим простором відпрацьованих лав; ,?,- площі мульд зрушування для умов шахти ім. П.Л. Войкова, розраховані з урахуванням експериментальних даних Борзих А.П. і Горового Є.П.

Виявлені особливості зрушування порід над виробленими просторами лав, що експлуатуються і відпрацьовуються [12, 14] та експериментальні дані про процеси газовиділення [1, 5-10, 13, 15-19, 21, 23, 27, 28, 32-34] дали можливість розробити модель [30] , що якісно характеризує зміни газовиділення в гірничі виробки і дегазаційні свердловини із підпрацьованих пластів і порід.

Модель пов’язує процеси газовиділення (рис.3) із зрушуванням порід та їх напруженим станом в усій підпрацьованій товщі від пласта, що розробляється, до земної поверхні (рис.4). Вона враховує весь цикл порушення і відновлення повного чи часткового природного стану пластів і порід.

З позиції розвитку чи згасання процесів зрушування виділені сім характерних періодів газовиділення.

Проміжок часу між початком газовиділення в гірничі виробки і дегазаційні свердловини (t1) для конкретних умов залежить від параметрів і способу охорони свердловини. В свердловинах, пробурених до близько розташованих пластів, газ з’являється раніше в порівнянні з метановиділенням в свердловини, пробурені до більш віддалених пластів [18]. Викликано це послідовним розвантаженням шарів порід і зближених пластів в напрямку від розроблюваного пласта до земної поверхні.

Рис.3 Якісна модель газовиділення (I) у виробки і дегазаційні свердловини в часі (t) при віддаленні очисного вибою від розрізної печі (Д): 1, 2, 3, 4 - криві, які описують відповідно газовиділення у свердловини, пробурені над розрізною піччю (1) і в зону безпосереднього впливу очисного вибою (2), в гірничі виробки (3) і сумарне газовиділення на виїмковій дільниці (4); Д1, Д2, Д3, Д4 – віддалення очисного вибою на характерні відстані від розрізної печі. Відповідно при появі газу в дегазаційних свердловинах, пробурених над розрізною піччю (Д1), появі гідравлічного зв’язку (Д2) між зонами знакоперемінних напружень і повних зрушувань, досягненні повного підпрацювання земної поверхні (Д3) і припиненні зрушувань породи над розрізною піччю під впливом рухомого очисного вибою і ущільненні порід (Д4); t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7 – проміжки часу, що відповідають певним етапам розвитку процесу метановиділення; I0– газовиділення у виробки до початку ведення очисних робіт; Iв, Iд- газовиділення, відповідно у виробки і свердловини, пробурені над розрізною піччю, на момент появи гідравлічного зв’язку між зонами знакоперемінних напружень і повних зрушувань; I- максимальне сумарне газовиділення із підпрацьованих пластів і порід.

Початок виділення газу в конкретну свердловину можливий лише за певних розмірів очисної виробки (віддалення вибою від розрізної печі на відстань Д1). Зона розвантаження порід від гірського тиску (III1) в цей період розвитку гірничих робіт визначається кутами (1) повних зрушувань (див. рис. 4).

Розташування і розміри зон впливу очисної виробки в цей період визначаються геометричними параметрами очисної виробки (Д1), довжиною двох напівмульд (2L1) на земній поверхні, глибиною проведення гірничих робіт (Н) і граничними кутами (д1).

Рис.4 Схеми зрушування підпрацьованих порід і земної поверхні при віддаленні очисного вибою від розрізної печі і утворення можливих зон газовиділення: а) при відході очисного вибою від розрізної печі на відстань Д1 і початку газовиділення в свердловини групи 1; б) при появі гідравлічного зв’язку свердловин групи 1 із зоною повних зрушувань III2; в) при досягненні максимуму газовиділення і попадання в зону повних зрушувань III3 всіх порід і зближених пластів, розташованих в проміжку від пласта, що розробляється, до земної поверхні; г) при утворенні плоского дна мульди зрушування; I1, II1, V1, I2, II2, III1, III2, V2, I3, II3, III3, IV3, V3, III, III, III - характерні зони впливу очисної виробки, що відрізняються між собою різним напруженим станом; h, H – відстань від пласта, що розробляється, відповідно до зближеного і земної поверхні; 1, 2– групи дегазаційних свердловин, пробурених відповідно над розрізною піччю і в зони безпосереднього впливу рухомого очисного вибою; – напрямок просування очисного вибою.

Максимальна величина зрушування земної поверхні (з1max) залежить як від геометричних параметрів (Д1, L1, 1, H), так і від товщини пласта, що розробляється (m), кута його падіння і властивостей міцності вугленосних порід. Значення (з1max) відображає, в якійсь мірі, порушеність підпрацьованих порід і зближених пластів. В сукупності з фізичними властивостями і параметрами, що характеризують процеси зрушування порід і їх напружений стан, за її величиною можна робити висновок про можливості утворення газопровідних тріщин в зонах впливу очисної виробки.

Із зони повних зрушувань порід, що визначається розміром виробки Д1 і кутами 1 (див. рис. 4), метановиділення відбувається тільки в гірничі виробки тріщинами, що взаємно пересікаються. Надходження газу із цієї зони в свердловини неможливо внаслідок відсутності в зонах I1 і II1 вертикальних тріщин, що з‘єднують їх із зоною III1. Виділення газу в свердловини відбувається тільки горизонтальними тріщинами розшарування на контактах породних шарів і зближених вугільних пластів з різними фізико-механічними властивостями. При наступному віддаленні очисного вибою від розрізної печі і відсутності гідравлічного зв’язку між зонами I1, II1 і III1, (проникністю порід у вертикальному напрямку в зонах I1, II1 можна знехтувати) і продовженні розвитку процесів зрушування порід, спостерігається зростання газовиділення як у гірничі виробки, так і в дегазаційні свердловини (див. рис. 3). Збільшення кількості каптованого метану свердловинами не приводить до зменшення його надходження в гірничі виробки. В деяких випадках відбувається попередня дегазація підпрацьованих пластів і порід, розташованих в зоні тріщин, паралельних нашаруванню. В період часу t2 газовиділення збільшується як у свердловини, так і в гірничі виробки. Тривалість цього періоду складає від кількох діб до кількох місяців [18] і залежить від гірничо-геологічних умов і швидкості посування очисного вибою.

Аеродинамічний зв’язок свердловин із зоною повних зрушувань з’являється після відходу очисного вибою від розрізної печі на відстань Д2 і збільшенні кута повних зрушувань до значення 2. Це призводить до перерозподілу метану, що виділяється із зони III2, між дегазаційними свердловинами і гірничими виробками. Посилення дегазації в цей період (t3) викликає зниження газовиділення в гірничі виробки.

При відході очисного вибою від розрізної печі на відстань Д3 відбувається повне підпрацювання земної поверхні і сумарне метановиділення у виробки і свердловини досягає свого максимального значення. Досягнення максимуму спричинено потраплянням в зону повних зрушувань III3 всіх шарів порід і зближених пластів, розташованих в проміжку від пласта, що розробляється, до земної поверхні. В цей період закінчується формування двох напівмульд на земній поверхні довжиною L3 кожна. Одна залишається практично без змін над розрізною піччю, а друга подібно хвилі переміщується над очисним вибоєм з однаковою з ним швидкістю. Максимальне зрушування земної поверхні (з3max) дорівнює глибині плоского дна мульди (з0) і свідчить про максимальне порушення природного рівноважного стану систем газ-вугілля у всіх підпрацьованих пластах від того, що розробляється, до земної поверхні. Можливість надходження метану із підпрацьованих пластів і порід у свердловини і виробки визначається утворенням сполучених між собою газопровідних тріщин. Знаючи вид напруженого стану (стискання, розтягнення, згин), фізико-механічні властивості порід, їх граничні і практичні деформації в зонах впливу очисної виробки, глибину робіт і товщину пласта, що розробляється, можна розрахувати висоту можливого поширення вертикально орієнтованих тріщин.

Висота поширення тріщин, що взаємно пересікаються, в більшості випадків значно менша від глибини проведення гірничих робіт. З цієї причини із зони III3 газовиділення в гірничі виробки можливо тільки з її частини, безпосередньо розташованої над виробленим простором. В свердловини газ може поступати із більш віддалених від пласта, що розробляється, областей зони III3, що характеризується меншими значеннями відносних деформацій, які не можуть викликати розриви суцільності підпрацьованих порід у вертикальному напрямі, але призводять до розшарування пластів порід на їх контактах. Канали свердловин об’єднують в єдину аеродинамічну систему горизонтально орієнтовані тріщини, розміщені на різному віддаленні від пласта, що розробляється. За рахунок такого зв’язку відводиться додаткова кількість метану, який не надходив би в гірничі виробки при відсутності дегазаційних свердловин. Ефективна дегазація таких пластів на даному етапі розвитку гірничих робіт можлива також свердловинами групи 2, пробуреними безпосередньо в зони зрушування порід над рухомим очисним вибоєм (див. рис. 4).

Відхід очисного вибою від розрізної печі на відстань більш ніж Д3 призводить до утворення плоского дна мульди зрушування на земній поверхні і появи нової зони III23 ущільнення (відновлення гірничого тиску) порід. В результаті ущільнення зменшується проникність порід, що раніше знаходились в розвантаженій зоні. Горизонтальні тріщини на контакті шарів породи закриваються. Посування очисного вибою вже не викликає зрушування порід над розрізною піччю. Ефективність дегазації підпрацьованих пластів і порід свердловинами групи 1 знижується. Тривалість метановиділення (t4) в свердловини цієї групи визначається процесами ущільнення порід і десорбції метану із зближених пластів на стадії затухання [6].

Розвиток процесу газовиділення на даному етапі гірничих робіт відбувається тільки в зонах (III33, IV3, V3) безпосереднього впливу посування очисного вибою. З цієї причини вибір місця розташування дегазаційних свердловин групи 2 і розрахунок їх параметрів слід проводити з урахуванням постійного переміщення зазначених зон в породах, що підпрацьовуються і їх послідовний перехід із одного напруженого стану в інший.

Рівень і характер газовиділення у виробки і дегазаційні свердловини групи 2 із зон безпосереднього впливу рухомого очисного вибою (III33, IV3, V3) залежить від швидкості його посування і тривалості процесів зрушування і ущільнення порід після їх підпрацювання. Вплив цих факторів є визначальним протягом всього часу (t5) наступної експлуатації виїмкової дільниці. Після зупинки очисного вибою протягом часу t6 припиняється газовиділення в свердловини, а через t7 – в гірничі виробки.

В глибоких шахтах процеси газовиділення у виробки і дегазаційні свердловини можуть дещо відрізнятися від наведеної моделі. Головна відмінність полягає у можливості утворення зони ущільнення (відновлення гірського тиску) ще до появи плоского дна мульди зрушування на земній поверхні.

Після відпрацювання в шахтному полі першої виїмкової дільниці над очисною виробкою в підпрацьованих породах утворюються зони різного напруженого стану. Вони суттєво впливають на умови відпрацювання чергової виїмкової дільниці за газовим фактором.

В горизонтальній площині зона можливого виділення газу біля зупиненого очисного вибою визначається розмірами фігури M’B’C’n (рис. 5). Площа цієї зони значно менша від загальної області впливу очисної виробки 1(фігура A1 B1 C1 D1). Після зупинки очисного вибою газовиділення із зони M’B’C’n починає зменшуватися. Якщо ж після зупинки першої лави зрушування порід не закінчилось, а до експлуатації введено нову лаву, то процес газовиділення набуває свого подальшого розвитку. Газовиділення активізується як біля зупиненого вибою 1, так і в зонах спільного впливу очисних виробок 1 і 2. Позаду очисного вибою 2 зона можливого газовиділення під впливом двох суміжних очисних виробок визначається розмірами фігури heGS, а попереду – фігурою elnrRG. За рахунок дискретного збільшення розмірів загального виробленого простору на величину виробки 2 розширюються зони можливого газовиділення із підпрацьованих пластів і порід.

При відпрацюванні суміжних лав в залежності від ступеня підпрацьованості порід можливі різні варіанти утворення зон газовиділення. Якщо до введення в експлуатацію чергової виїмкової дільниці повне підпрацювання не було досягнуто в двох взаємно перпендикулярних напрямках, то газовиділення можливі по всьому контуру виробленого простору. Утворення таких зон викликано збільшенням розмірів мульд зрушування і зміною ступеня підпрацьованості порід.

Про збільшення ступеня підпрацьованості порід можна судити за змінами профілю мульди зрушування в головних перетинах. За простяганням пласта ці зміни визначаються положеннями мульд 5 і 6, а в хрест простягання –3 і 4 (див. рис. 5).

На формування зон можливого газовиділення при відпрацюванні суміжних лав впливає і період часу (якщо він є) між завершенням очисних робіт в лаві 1 і їх початком в лаві 2. При достатньо великому проміжку часу між експлуатацією виїмкових дільниць породи в зоні mbcl ущільнюються за рахунок відновлення гірського тиску, і їх напружений стан практично не відрізняється від стану порід в зоні amld. З цієї причини відпрацювання суміжної очисної виробки в даному випадку не буде викликати суттєвих додаткових газовиділень із зони mbcl.

Рис. 5 Схема відпрацювання вугільного пласта суміжними лавами і розташування зон можливого газовиділення: 1, 2 – відповідно вибої лав , що закінчили відпрацювання виїмкового поля (1) і введеної (2) в експлуатацію; 3, 5 – вертикальні перетини мульди зрушування на земній поверхні відповідно вкрест простяганню і по простяганню пласта після відпрацювання лави 1; АВСD і ABCHFD – фігури, що визначають розміри очисної виробки, відповідно після відпрацювання лав 1 і 2; А'В'С'D' – фігура, що визначає розміри мульди зрушування після відпрацювання лави 1; А'В'H'F' – фігура, що визначає розміри мульди зрушування після відпрацювання лави 2 і умов повного підпрацювання земної поверхні лавою 1; А2В2H2F2 - фігура, що визначає розміри мульди зрушування після відпрацювання лави 2 й умов неповного підпрацювання земної поверхні лавою 1; ShlM'B'C'rR – фігура, що визначає розміри можливого газовиділення після зупинки лави 1 і експлуатації лави 2; - напрямок просування очисного вибою 2.

Ущільнення порід в зонах abcd і dhpf впливає на режим провітрювання за рахунок зміни їх проникності для витоку повітря через вироблені простори діючих і відпрацьованих виїмкових дільниць. При достатньому ущільненні підпрацьовані породи стають практично непроникними для