Емпіричні методи прогнозу вздуття порід грунту

Методи визначення параметрів процесу вздуття порід ґрунту в гірських виробках, основані на узагальненні досить великої кількості натурних вимірювань, називаються емпіричними. Найбільш відомими з них є метод Ю. 3. Заславского і І. Л. Черняка.

Ю. 3. Заславский вважає, що основними факторами, що визначають наявність і параметри процесу вздуття порід ґрунту, є наступні: рівень напружень у місці виробки, який визначається вагою вищележачої товщі порід, міцністю порід, кутом їхнього залягання, шаруватістю масиву, орієнтуванням виробок стосовно нашарування (паралельно чи перпендикулярно), їхніми геометричними розмірами і термінами служби.

Основним критерієм, за яким відбувається прогноз вздування порід ґрунту є безрозмірний параметр .

Прийнявши в якості «межі вздуття» величину підняття ґрунту l_о=0, 20 м, тобто таку величину, при якій процес вздуття починає впливати на стан виробки, Ю. 3. Заславский запропонував номограму, яка дозволяє визначати параметри процесу вздуття. Емпіричний критерій для умов Донбасу, за яким оцінюється схильність порід ґрунту до вздуття для виробки шириною а, має вигляд:

(5)

γ — об’ємна вага вищележачих порід; Н—глибина розміщення виробки; R_c—міцність порід на одноосне стиснення.

За даними автора у виробках шириною 3-5 м вздуття починає проявлятись при значеннях безрозмірного параметра .

Ці результати співпадають з результатами вимірювань інших дослідників.

Для розрахунку величини підняття порід ґрунту Ю. 3. Заславским запропонована схема, приведена на рис.4.

Рис.4. Схема для визначення величини підняття порід грунту за Ю.З. Заславським

Породні шари в ґрунті виробки розглядаються як затиснені балки, що знаходяться під дією поздовжньо-поперечного навантаження. В процесі формування сила Р перевершує деяке критичне значення Р_кр після чого шар втрачає стійкість, видувається і ламається в центрі, що призводить до втрати його несучої здатності.

Величина підняття порід грунту U_п визначається за формулою

(6)

де h—висота виробки; H—глибина розміщення виробки; γ —об’ємна вага вищележачих порід; R_c—міцність порід на одноосне стиснення; R₀—300 кг/см²—умовна міцність гірських порід; р—відсіч кріплення з боків.

І.Л. Черняк на підставі узагальнення великої кількості натурних спостережень і результатів лабораторного моделювання на моделях з еквівалентних матеріалів розробив ймовірносно-статистичний метод прогнозу вздуття. Основними факторами, що визначають параметри процесу, є: глибина розробки, міцність порід, їхня потужність і петрографічний склад, а також площа поперечного перерізу виробки.

Метод дає можливість не тільки констатувати наявність вздуття, але і визначити його інтенсивність.

Загальним недоліком будь-яких емпіричних підходів є те, що застосування встановлених закономірностей обмежене тими регіонами, у межах яких відбувається відбір статистичної інформації.

10. Динамічний прояв гірського тиску. Раптові викиди вугілля і газу в підземних виробках. Фізичні і структурні особливості системи “вугілля-метан”. Теорії газодинамічних явищ. Способи запобігання і методи прогнозу газодинамічних явищ

Динамічними проявами гірського тиску називають швидкоплинні катастрофічні явища, що виникають у підземних виробках. До них відносять гірські удари, викиди породи вугілля і газу, стріляння гірських порід. У вугільних шахтах газодинамічні явища найчастіше реалізуються у формі раптових викидів вугілля, породи і газу.

РАПТОВІ ВИКИДИ ВУГІЛЛЯ, ПОРОДИ І ГАЗУ В ПІДЗЕМНИХ ВИРОБКАХ

Перше згадування про раптові викиди вугілля і газу відносять до 1834 року, коли на шахті «Ісаак» вугільного басейну Луари у Франції вперше було зареєстроване це явище. В міру переходу шахт Бельгії і Франції на більш глибокі горизонти частота і сила раптових викидів зростали. У Донбасі перший викид вугілля і газу відбувся в 1906 році при розкритті шару шахти «Нова Смолянка» на горизонті 728 м.

До кінця 19 століття число викидів в одному тільки басейні Гір (Південна Франція) перевищило 2000. Ці явища стали відомі в Німеччині (Рур, Нижня Сілезія), Англії (Південний Уельс), Угорщині і Канаді.

В гірничотехнічній літературі спеціальні статті, присвячені раптовим викидам, з'явилися в 80-х роках 19-го століття після сильного раптового викиду в 1879 р у шахті «Агріпп» №2 (Бельгія). Під час цієї аварії було викинуто 420 т вугілля, близько 2000 м³ метану і загинув 121 чоловік. Ще більша аварія відбулася на початку 20 століття на копальні «Моржен» (Британська Колумбія), коли було раптово викинуто 3500 т вугілля і 700000 м³ метану.

Необхідність точного визначення раптового викиду вугілля і газу була викликана тим, що динамічні явища, що виникають в різних гірничотехнічних і гірничо-геологічних умовах, розрізняються як за фізичною сутністю процесів їх утворення і розвитку, так і за ступенем наслідків. Тому напрямки досліджень у цій області, в тому числі гіпотези, теорії, методи прогнозування і боротьби з такими явищами, також виявляються різними. Для узагальнення світового досвіду і систематизації проведених досліджень робоча група Європейської економічної комісії (ЄЕК) у жовтні 1994 р прийняла «Класифікацію динамічних явищ в шахтах» і рекомендувала використовувати її в гірничо видобувній промисловості.

Єдина класифікація динамічних явищ створена на основі енергетичної теорії гірських ударів, енергетичної силової теорії викидів вугілля, породи і газу, узагальнення світового досвіду в рішенні проблем динамічних явищ на вугільних шахтах. В класифікації (табл.1) виділяються чотири класи явищ: гірські удари, викиди газу, викиди вугілля, породи і газу, гірничотехнічні явища.

Оскільки в умовах будівництва і експлуатації вугільних шахт України найзустрічаємим класом динамічних явищ є раптові викиди вугілля (породи) і газу, то далі будемо розглядати тільки цю проблему.

Визначення раптового викиду, дане акад. А.А. Скочинським, дозволяє класифікувати явище, що відбулося у виробці, відповідно до інших видів динамічних явищ, представлених в табл.1.

Таблиця 1.

Єдина класифікація динамічних явищ

робочої групи по вугіллю ЄЕК ООН

Однак для експертної оцінки явища необхідно знати характерні ознаки раптового викиду. Такими ознаками є:

—відкидання вугілля від забою;

—утворення порожнини в вугільному пласті;

—зміщення вугілля у виробку;

—пошкодження і відкидання обладнання;

—підвищене, в порівнянні з звичайним, виділення газу в гірську виробку;

—наявність тонкого вугільного пилу («скаженого борошна») на відкосі

викинутого вугілля та на кріпленні.

Ознаки, приведені в перших чотирьох пунктах, є наслідком появи ударної хвилі, яка поширюється в повітряному середовищі виробки з надзвуковою швидкістю. Це свідчить, з однієї сторони, про швидкоплинність розвитку процесу, з іншої сторони—про значну енергію, яка при цьому виділяється.

ФІЗИЧНІ І СТРУКТУРНІ ОСОБЛИВОСТІ СИСТЕМИ «ВУГІЛЛЯ-МЕТАН»

Вугілля є високомолекулярною сполукою, яка утворилася шляхом реакцій конденсації і різних хімічних з’єднань, які входять до складу відмерлих рослин. Фізичні властивості вугілля змінюються в залежності від складу рослинності, умов її нагромадження і поховання і яка впливає на утворення вугілля того чи іншого типу.

З точки зору фізичної структури вугілля являє собою пористе тіло, розмір пор якого змінюється в межах від 10^-10 до 10^-4. Наявність пор такого малого розміру зумовлює, по-перше, появу такої властивості вугілля як сорбція, тобто явища поглинання газу поверхнею чи об’ємом твердого тіла, і, по-друге, здатність утримувати поглинений газ (метан) в порах силами молекулярних зв'язків. Кількість утримуваного в такий спосіб газу залежить від сорбційної ємності вугілля і визначається питомою поверхнею пор (у кв. метрах на 1 грам вугілля). Питома поверхня видобуваємого вугілля складає в середньому, 200 м²/г.

Кількість кубометрів газу, що приходиться на одиницю об'єму вугілля, доходить до 54 (м³ метану/м³ вугілля). Цей газ знаходиться в зв'язаному стані й утримується силами молекулярних зв'язків. Із загального вмісту газу у вугільному пласті його частка складає від 90 до 98 % і тільки від 2 до 10% припадає на вільний газ, здатний мігрувати в системі макропор і тріщин.

Таким чином, вугілля є могутнім сорбентом, а його метаноємність визначається структурою і безпосередньо не залежить від величини гірського тиску. Зв'язаний на молекулярному рівні газ має великий запас внутрішньої енергії, яка при переході його зі зв'язаного стану у вільний реалізується у виді раптового викиду тонкоподрібненого вугілля і газу. Розмір частинок викинутого вугілля, так званого «скаженого борошна», складає близько 10^{-10 м і свідчить про те, що вони утворилися в результаті розриву пор внутрішнім тиском.}