книги / Механика горных ударов и выбросов
..pdf7.ВЫБРОСЫ УГЛЯ
7.1.ОБЩНОСТЬ ВНЕШНИХ ПРОЯВЛЕНИЙ
ИМЕХАНИЗМ ВЫБРОСОВ
Выбросы угля (песчаника, соли) и газа * представляют собой класс динамических явлений, в которых наряду с горным давлени ем и свойствами материала важную роль играет газ [55]. Выброс состоит в саморазвивающемся разрушении призабойной части пласта и разлете (зачастую иа значительные расстояния) частиц материала под действием расширяющегося газа. Подробные опи сания этих газодинамических явлений содержатся во многих ра ботах (см., например, [1, 44, 51, 62, 77]).
Не повторяя их, дадим лишь краткий обзор наиболее характер ных особенностей, существенных для понимания механизма вы бросов.
Как правило, выбросы происходят в местах тектонических на рушений, где материал имеет большую трещиноватость (а зача стую и пустотность) и меньшую прочность, чем аналогичная невы бросоопасная порода **. Для выбросоопасиых углей, например, среднее расстояние между трещинами определяет степень дробле ния и достигает 0,01 мм, а прочность на отрыв ар=0,005 МПа и менее. Сильная нарушенность структуры в выбросоопасных зонах проявляется также в повышенной скорости начальной газоотдачи для углей, в хрупкости, интенсивном рассланцовывании и бурном растворении солей и в делении кернов выбросоопасных песчаников и солей на диски в процессе из выбуривания.
Фильтрационная способность материалов в выбросоопасных условиях мала. В частности, под действием опорного давления на некотором удалении от обнажения газопроницаемость углей стано вится очень небольшой. При этом именно нарушенные выбросо опасные угли характеризуются пониженной способностью к филь трации при сжатии. Способность к фильтрации песчаников и особенно солей сравнительно невелика даже в разгруженном со стоянии. В выбросоопасных условиях низкая газопроницаемость обеспечивает сохранение высокого давления газа, заключенного
вматериале.
*В дальнейшем, когда рассуждения справедливы для любого из названных материалов, будем для краткости употреблять термин «выброс».
**Из обсуждаемой ниже теории следует, что малая прочность не является
обязательным условием выбросов — при наличии достаточно высоких горного и газового давлений выбросы возможны и в весьма прочных материалах. По этому не следует ожидать снижения выбросоопасности с увеличением глубин горных работ. Понятно, однако, что первые и частые проявления возникают в наиболее благоприятных условиях, каковыми являются зоны пониженной прочности, повышенных газосодержания и газового давления.
няются высокое давление газа и низкая газопроницаемость).. В большинстве случаев они происходят непосредственно в процес се проведения горнотехнических операций (выемки угля, буреншг шпуров, скважин большого диаметра, при взрываниях и т. д.).
Скорость обнажения поверхности в выбросоопасной зоне, до статочная для инициирования выброса, тем выше, чем прочнеематериал, так как для отделения частиц более прочного материа ла нужны более высокие градиенты давления газа, каковые не возникают на обнажении при медленном сбросе давления.
Роль скорости обнажения ярко иллюстрируется следующими данными, полученными при бурении скважин в угле [67]. При. скорости бурения до 0,5 м/мин динамических явлений не наблю далось. При скорости 0,8 м/мин появлялись хлопки. Когда ско
рость достигала |
0,9— 1,2 м/мин возникали микровыбросы. При: |
|
скорости,,1,5— 1,8 |
м/мин происходили выбросы; естественно, |
что |
превысить эти значения не удавалось. |
по |
|
Выбросы песчаников требуют очень резкого обнажения |
||
верхности и имеют место лишь при взрывных работах. При про ведении выработок в песчаниках без взрывов выбросов в них не происходит.
Выбросы солей, как правило, инициируются взрывами, рабо той комбайна или резким разломом и обрушением непосредствен ной кровли, происходящими вследствие создания высокого газо вого давления в полости расслоения (выбросы из кровли и почвы).
Говоря о влиянии резкого обнажения поверхности в выбросо опасной зоне, отметим также, что^даже в самых опасных усло виях опытный забойщик, умело создавая подпор разрушаемому материалу и управляя фильтрацией газа, способен провести вы работку по углю без выброса. Суть его действий сводится к ис ключению резких обнажений поверхности в области с малой проч ностью и фильтрацией и высоким газовым давлением. Постановкаразного рода щитов и перемычек служит той же цели и сущест венно ограничивает развитие выброса. Подчеркнем, что во всех случаях дроблению и выносу материала газом предшествует рез кое обнажение поверхности в выбросоопасной зоне.
Важными отличительными особенностями выбросов являются высокая степень диспергирования материала и участие газа в его дроблении и выносе. При выбросах угля, например, материал дробится до «бешеной муки» — частиц размером 0,01 мм и менее [62, 71]; при выбросах более прочной породы — песчаника основ ная масса отрываемых элементов представляет собой чешуйки толщиной 1—2 мм; сильному дроблению подвергаются при выбро сах и соли.
Газ, расширяясь при выбросе, не только совместно с горным-
давлением совершает |
работу дробления и выносит материал, но |
и порождает ударную |
воздушную волну, воздействуя на воздух |
в выработке. Ударная волна, распространяясь со скоростью зву ка, значительно опережает смесь частиц и газа, способна опроки нуть вентиляционную струю и привести в конечном счете к зага-
.зированшо выработок. Смесь газа и раздробленного материала
.движется с гораздо меньшей скоростью и заполняет выработки, прилежащие к месту выброса.
Своеобразными являются также формы полостей, образую щихся при выбросах. Для углей полости зачастую имеют груше видные и кармаиовидиые формы (рис. 70,а, б). Грушевидные ка верны (рис. 70,а) имеют место в кутках уступов или штреков на крутопадающих пластах или при их вскрытии. Располагаются они по восстанию пласта или под небольшим углом к линии вос стания и имеют удлиненную форму. Долыпий из размеров таких лолостей колеблется от двух-трех до нескольких десятков метров.
6
РИС. 70. Полости, образующиеся дри выбросах:
■а, г — грушевидная; б — кармановидная в угле; |
в — полость выброса |
песчаника с характер |
ной сеткой трещин в окружающих породах; |
д — куполообразная; |
е — разветвленная по |
длость в солевой породе |
|
|
Размер у горловины полости 1—2 м. Иногда выбросы угля возни кают при бурении шпура и происходят через шпуровое отверстие без разрушения его стенок. При этом через отверстие диаметром 43 мм выносится подчас несколько десятков тони угля. С удале нием от горловины полость расширяется до 2— 10 метров. Карма новидные каверны (см. рис. 70,6) образуются на крутом падении при прямолинейном забое или вблизи кутков при почвоуступной форме забоя, а также в очистных выработках пологих или гори зонтально залегающих пластов. При этом значительная часть раздавленного и разрушенного угля часто остается в каверне и не выбрасывается в выработку.
Полости, возникающие при выбросах песчаников, менее при чудливы, чем полости в углях, и обычно не имеют узкой выход ной горловины (рис. 70,в). Стенки полости пронизаны сеткой тре щин, показанных на рисунке. Эти трещины перпендикулярны к направлению развития выброса. Они не являются природными,
а образуются у фронта волны дробления под совместным дейст вием горного и газового давлений.
Полости, формирующиеся при выбросах солей, имеют различ ные очертания (рис. 70,г — е). Следует отметить, что среди них встречается куполообразная разновидность (рис. 70,д), возника ющая в кровле, когда толщина выбросоопасного слоя в ней огра ничена. Выброс такого типа обычно происходит после быстрого разлома ближайшего к выработке слоя, отделяющего ее от опас ного материала. Подобному разлому способствует давление газа, фильтрующегося в область контакта слоев.
Все выбросы, независимо от выбрасываемого материала, име ют общую природу и характер протекания. Различия между ними сравнительно невелики и касаются не слишком существенных деталей явления. В целом их механизм представляется следую щим образом [49].
На современных глубинах разработки запасы потенциальной энергии газа и пород достаточны для формирования внезапных выбросов. Низкая газопроницаемость массива способствует со хранению опасного газового давления в призабойной области. Выброс "происходит при резком обнажении поверхности в зоне, содержащей газ и сжатой горным давлением. Такое обнажение происходит вследствие местного разрушения под воздействием выемочной машины, бурового инструмента, взрывных работ или проявлений горного давления.
Резкое обнажение поверхности вызывает изменение напряжен ного состояния и перепад газового давления, достаточный для отделения частиц от массива. Горное давление способствует та кому отделению. Расширяющийся газ увлекает оторвавшиеся ча стицы в выработку. Процесс отделения и выноса частиц много кратно повторяется: в глубь массива распространяется фронт дробления, а по выработке движется поток расширяющегося газа и оторвавшихся частиц. В сорбирующих материалах процесс ин тенсифицируется за счет десорбции газа.
Движение смеси газа и частиц, как правило, нестационарно из-за неоднородности материала, колебаний давления и плотно сти за фронтом волны дробления. Отдельные участки массива мо гут разрушаться под действием сил горного давления (горных ударов) и собственной массы, обнажая новые поверхности, на ко торых возникают волны дробления. Смесь газа и частиц порож дает воздушную волну, опережающую поток и способную в ряде случаев опрокинуть вентиляционную струю. Смесь распространя ется по выработкам. Осаждение частиц приводит к заполнению выработок разрушенным материалом, а выделение газа — к их загазированию.
7.2. ДОСТАТОЧНЫЕ УСЛОВИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВОЛНЫ ДРОБЛЕНИЯ
Основные этапы динамических явлений и общие для них зави симости, описанные в разделе 5, конечно, имеют место идля выбро-
245
сов. Однако наличие и участие газа определяет особенности в их протекании. Для механизма выброса весьма существенна роль газа в процессе отделения и выноса частиц, обусловливающая в значительной степени специфические черты выбросов. Поэтому для того, чтобы выяснить особенности различных этапов рассма триваемого класса динамических явлений, остановимся на доста точных условиях распространения волны дробления. Эти условия наглядно отражают участие газа в дроблении материала.
Важность достаточных условий определяется тем обстоятель ством, что, как показано в 5.2, необходимое энергетическое усло вие, состоящее в превышении имеющимися запасами энергии за трат на дробление материала, нередко выполнено. Из сказанного в этом подразделе ясно, что при надлежащей реализации энергия газа более чем достаточна не только для сильного дробления вьгбросоопасного материала, но и для придания ему скорости. Возможность же подобного диспергирования определяется не столько энергетическими, сколько силовыми соотношениями, вы полнение которых на фронте волны и дает достаточные условия ее распространения. Эти условия определяют сочетания давлений газа и внешних нагрузок, обеспечивающих рост трещин и отделе ние частиц на поверхности фронта. Такие сочетания подробно рассмотрены и обсуждены в 2.5, их необходимо иметь в виду при изучении волны дробления при выбросе.
Приведем простой пример для того, чтобы сделать наглядным соотношение между обобщенными энергетическими показателями баланса и силовыми условиями, определяющими возможность ре ализации энергетических ресурсов. Пусть в прочном, но хрупком сосуде находится газ под давлением. Его энергия велика, но про явиться до разрушения сосуда не может, хотя само по себе такое разрушение не требует больших расходов энергии (в частности, достаточно прорастания хотя бы одной трещины — на него не требуется ощутимых сравнительно, с энергией газа энергетических затрат). При отсутствии благоприятных для разрушения условий (например, при отсутствии достаточно больших трещин) оно не происходит: несмотря на значительное превышение запасов энер гии над тем количеством ее, которого хватит для разрушения,
т. е. несмотря на очень выгодный энергетический баланс, это пре |
|
имущество в обычных условиях никак не проявляется. Его прояв |
|
ление зависит от выполнения дополнительных условий — наличия |
|
достаточно больших начальных трещин, внешних воздействий на |
|
сосуд, способствующих образованию и распространению |
трещин, |
и т. д. Для правильно рассчитанного и эксплуатируемого |
сосуда |
эти условия не выполняются, и запасенная в сосуде большая энергия не приводит к взрыву. Если же условия роста трещин оказываются выполненными, то происходит катастрофа — громад ный избыток энергии, запасенный в газе, вызывает взрыв.
Выполнение упомянутых условий мало зависит от общих энер гетических показателей системы, и потому их проверка не требу ет рассмотрения энергетического баланса при переходе сосуда от
состояния до разрушения к состоянию после него. Достаточно воспроизвести силовые, а не энергетические условия нагружения системы сосуд — газ. Именнр поэтому испытания сосудов давле ния, предназначенных для содержания сжатого газа (пара), осу ществляются с помощью малосжимаемых жидкостей — силовые условия и сама возможность разрушения остаются практически теми же, что и при испытании газом (коррозионные и тому по добные эффекты здесь не-обсуждаются). Изменяется лишь харак
тер разрушения, если оно произойдет — энергия малосжимаемой жидкости гораздо меньше энергии газа при том же давлении, что делает испытания жидкостью значительно менее опасными. Таким образом, вопрос о возможности разрушения отделяется от вопро са о характере (и последствиях) разрушения. Ответ на первый из них дает изучение условий разрушения, а на второй — иссле дование общего энергетического баланса системы.
Аналогичная по соотношению роли энергетических и силовых условий (хотя и отличающаяся, конечно, во множестве деталей) ситуация имеет место и в газонасыщенных породах. По-прежнему баланс энергии благоприятен для быстрой взрывоподобной реали зации имеющихся запасов, но происходит она только в случаях, когда выполнены дополнительные условия. Они состоят в том, чтобы в зоне с высокими энергетическими показателями, во-пер вых, произошло достаточно резкое (чтобы не отфильтровался газ)
обнажение поверхности, а во-вторых, чтобы при этом оказались выполненными силовые условия отделения частиц.
Называя условия «силовыми», вовсе не подразумевают, |
что |
им не может быть дана энергетическая трактовка — хорошо |
из |
вестен тот факт, что силовые соотношения во многих случаях в теории разрушения могут быть заменены эквивалентными энер гетическими зависимостями. Например, энергетический критерий Гриффитса зачастую эквивалентен силовому условию критическо го коэффициента интенсивности. Использование термина «сило вой» имеет целью подчеркнуть, что условия разрушения образу
ют самостоятельную группу предпосылок выбросов, существенно отличающуюся от соотношений общего энергетического баланса системы. Основанием для выбора этого термина является то, что условия отрыва мало зависят от общих запасов энергии газа в системе и преимущественно определяются силами, вызывающими рост трещин и отделение частиц, независимо от энергии источни ков этих сил. Так, в приведенном выше примере замена газа жидкостью при сохранении силы давления мало сказывается на условиях разрушения, хотя общие энергетические показатели рез ко изменяются. Впрочем, можно заменить термин «силовой» ка ким-либо иным выражением, важно, чтобы была отчетливо выде лена группа условий, выражающих возможность того или иного проявления запасенной энергии и чтобы эта группа не смешива лась с соотношениями баланса энергии, определяющими характер ее проявления. Ниже для конкретности используется термин «силовые» условия.
|
Теорию, объединяющую условия, вытекающие из энергетиче |
|||||||||
|
ского баланса, и силовые условия отделения частиц, можно на |
|||||||||
|
звать энергетически — силовой теорией выбросов [49]. |
|
|
|
||||||
|
Указанные выше особенности выбросов (высокая степень |
|||||||||
|
дробления, узкие горловины некоторых полостей, разветвление их, |
|||||||||
|
особенности |
инициирования) с очевидностью |
приводят |
к |
выводу |
|||||
|
о том, что процесс отделения частиц при выбросе осуществляется |
|||||||||
|
последовательно, слой за слоем. Суть последовательного |
отделе |
||||||||
|
ния нетрудно понять из рис. 57. Если в некоторый момент времени |
|||||||||
|
давление газа на поверхности АВ упадет со значения pi, имевше |
|||||||||
|
го место в материале, до давления рг> то слой будет испытывать |
|||||||||
|
растягивающую силу. При силе, достаточно большой, чтобы вы |
|||||||||
|
звать прорастание трещин и отрыв, произойдет отделение частиц |
|||||||||
|
слоя АВВхАу. После |
этого обнажается поверхность А\В\, вновь |
||||||||
|
возникает сила, отрывающая частицы, и процесс повторяется. |
|||||||||
|
Расширяющийся газ выносит разрушенный материал в выра |
|||||||||
|
ботку. *> |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Конечно, когда говорят о слое, вовсе не имеют в виду, что он |
|||||||||
|
сохраняет свою связность: частицы на обнажаемых поверхностях |
|||||||||
|
отрываются по отдельности, поверхность отрыва (фронт |
волны |
||||||||
|
выброса) формируется |
статистически и не является гладкой |
по |
|||||||
|
верхностью. Таким образом, под толщиной «слоя» нужно пони |
|||||||||
|
мать |
статистическую |
среднюю |
толщину |
отрываемых |
частиц. |
||||
|
В соответствии с этим все величины, используемые при рассуж |
|||||||||
|
дениях, следует трактовать как статистически средние по поверх |
|||||||||
|
ности фронта волны [64]. Статистический характер формирова |
|||||||||
, |
ния фронта определяет и причудливые формы полостей выбросов. |
|||||||||
Реальный |
процесс |
отличается |
от описанного |
тем, |
что имеет |
|||||
|
место некоторая фильтрация (зачастую очень незначительная) |
|||||||||
|
через очередную поверхность обнажения в сторону выработки. Она |
|||||||||
|
снижает поровое давление pi перед фронтом отрыва и уменьшает |
|||||||||
|
отрывающий импульс. |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Заметим, что само давление pi к моменту прихода волны за |
|||||||||
|
частую отличается от природного порового давления, поскольку |
|||||||||
|
до начала собственно выброса оно изменялось в подготовительной |
|||||||||
|
стадии вследствие фильтрации в выработанное |
пространство |
и |
|||||||
|
разрыхления материала при необратимых деформациях. Эти про |
|||||||||
|
цессы обсуждались в 4.5, где приведены данные о распределении |
|||||||||
|
Pi(!) |
давления газа перед забоем к началу движения фронта вы |
||||||||
|
броса. Если фронт находится на расстоянии £ от |
начальной |
по |
|||||||
|
верхности забоя, то благодаря сравнительно большой |
скорости |
||||||||
|
движения волны к моменту его прихода давление перед фронтом |
|||||||||
|
определяется |
распределением pi(Q, отвечавшим |
подготовитель |
|||||||
* Представления о роли трещиновато-блочной структуры угля, и о его по следовательном разрушении при выбросе под воздействием давления свободно го газа сформулированы еще в тридцатые годы (Л. Н. Быков «Теория и санов ные принципы эксплуатации пластов, склонных к внезапным Выделениям газа». Харьков, ОНТИ НКТП, 1936). Математическая разработка этих представлений осуществлена значительно позже [39—41, 65, 30, 33, 49, 58, 66].
ной стадии. Соответствующее давление является исходным при рассмотрении процессов, протекающих на фронте. Важнейшими из них являются рост трещин, их выход на обнаженную поверхность фронта, фильтрация газа в растущие трещины, а также через фронт дробления — в выработку по имеющимся и новым, образую щимся каналам.
Детали механизма каждого элементарного акта отделения ча стиц достаточно сложны и не одинаковы для различных материа* лов. Их подробное рассмотрение связано не только с учетом влия ния на прорастание трещин свободной поверхности фронта выбро са, внутреннего давления газа, внешних сжимающих нагрузок, но и сдвиговых разрушений при выходе трещин на обнажение, вза имодействия их между собой и порами, блочного строения углей
ит. д. Поэтому теоретические условия отрыва типа (2.44) прежде всего предназначены для качественного анализа влияния горного
игазового давления.
Кмоменту прихода волны давление.перед фронтом составляет
Pi(£), давление за фронтом — р2, а внешнее сжатие 0\ горным давлением равно cryi(g). Тогда условие отрыва (2.44) принимает вид
m r [ p i ( i ) — Р 2 ] > в Р, |
(7 .1 ) |
где |
|
т ' = Ъ [ l + V ® / 0-]''- |
(7-2) |
Условие (7.1), как упоминалось, в случае сравнительно проч ных пород, подобных песчаникам, дает не только правильные ка чественные зависимости, но и количественные результаты, соответ ствующие экспериментальным данным, полученным в лаборатор ных опытах с образцами. Однако это еще не означает, что (7.1) в равной степени соответствует и разрушению на фронте выброса. Дело в том, что в опытах прочности на отрыв Ьр и на сжатие а0, входящие в (7.1), (7.2), определяются максимальными размерами благоприятно ориентированных трещин, содержащихся в образце. Для выбросов же характерна высокая степень дробления, обеспе чивающая достаточно быстрое выделение свободного газа в необ ходимых количествах, т. е. при отрыве разрушению подвергаются «образцы» заметно меньшего размера, чем те, которые испыты ваются в лаборатории. Соответственно уменьшаются размеры мак симальных по величине трещин. Согласно линейной механике раз рушения этот эффект можно учесть, введя к прочности поправоч
ный множитель вида1/7с,//ь, где /со— характерный размер наи больших трещин в образце, k — характерный размер наибольших трещин на базе порядка средней толщины отрываемых частиц. С учетом этой поправки в (7.2) имеем
-1
(7.3)
В (7.3) Ico^lb и аУ1^0. В частном случае, когда наибольшие трещины в образце песчаника находятся на расстояниях, не пре-
17— 133 |
249 |
вышающих нескольких миллиметров, имеем 1со~1ь, и формулы (7.2) и (7.3) совпадают. В другом частном случае, когда материал поврежден столь сильно, что всегда имеются благоприятно ориен тированные трещины с размерами порядка размеров образца /р и
отрываемых при выбросе частиц р*, |
имеем |
Vhol^b^VU y*- |
||
Тогда, |
если У /„/*/* > 1, то т г ~ | /y » jl0. |
Таким |
образом, |
величи |
на т г |
может изменяться от значений, |
превышающих |
единицу, |
|
до весьма малых значений. При заполнении трещин жидкостью (естественной или появившейся в результате искусственного на
гнетания) |
характерный размер |
h , к |
которому |
прикладывается |
||||||
давление |
газа, |
уменьшается |
и |
соответственно |
уменьшается тг. |
|||||
В среднем для песчаников тТоколо единицы. |
больших |
глубинах |
||||||||
Из |
формул |
(7.1)— (7.3) |
следует, |
что |
на |
|||||
(более |
1000 м) |
при высоких |
давлениях |
газа |
(больше |
10 МПа) |
||||
почти все песчаники становятся выбросоопасными. Из формул также вытекает, что на небольших глубинах (меньше 400 м) при малых давлениях газа (меньше 3 МПа) выбросоопасность отсут ствует. Эти выводы подтверждаются результатами статистической обработки многочисленных данных о выбросоопасности песчани ков, нашедшими отражение в инструкции. [19]. Более того, де тальный анализ оценок выбросоопасности, получаемых по этому руководству, обнаруживает их хорошее согласие с формулой (7.1) не только при экстремальных значениях параметров, но и при различных сочетаниях величин. Качественное согласие (7.1)— (7.3) с данными практики очевидно.
Можно рассчитывать, что формулы (7.1) — (7.3) приемлемы и для солей. Однако экспериментальные данные, позволяющие дать количественную оценку их применимости для этих материалов, отсутствуют. В то же время качественные следствия полностью согласуются с данными горной практики. Выбросоопасные соли характеризуются пониженной прочностью, повышенным числбм дефектов и значительным давлением газа [51, 77]. Стенки поло сти выбросов солей (как и песчаников)' пронизаны трещинами, которые находятся друг от друга на расстояниях, соответствую щих размерам выбрасываемых частиц. Выбросоопасные соли за частую сильно рассланцовываются. Фронт волны разрушения при этом, как правило, распространяется параллельно сланцеватости в направлении наименьшего сопротивления материала. Для вы бросов сильно рассланцованных карналлитов ор~0,3 МПа; « 5 МПа и из (7.1) имеем оценку т г»0,06.
Для выбросоопасных углей представленные выше соображения, касающиеся вывода формул (7.1) — (7.3), в значительной мере теряют силу из-за специфической структуры этих материалов: на долю микро- и макропор приходится чуть не половина объема. Каждая трещина в угле окружена множеством пор. При этом давление газа по-видимому не приводит к большим значениям коэффициентов интенсивности у краев трещин, поскольку близ лежащие поры и трещины выравнивают напряжения. В сущности,