Раздел 2
2. Теоретические исследования газовыделений при сдвижении пород
Шахтные эксперименты позволили существенно изменить общее представление о
процессах сдвижения пород не только в границах выемочных участков, но и в
пределах всего шахтного поля [83-86]. Явления активизации сдвижения пород
наблюдаются практически во всех случаях отработки пластов лавами. Исключение
может составить отработка первого в свите пласта первой лавой. Во всех
остальных случаях проявляются явления активизации сдвижения пород как при
отработке одного пласта смежными лавами, так и при отработке последующих
пластов в свите.
Проверить на практике, как протекают процессы сдвижения и деформации пород не
всегда возможно. Однако в ряде случаев о таких процессах можно судить по
косвенным признакам, например, по изменению газовыделения или прочности угля
пластов, попадающих в зону сдвижений пород, давлению на крепь и т. д. [87].
При изучении процесса газовыделения также не всегда представляется возможность
проведения необходимых экспериментов. В этом случае о некоторых газопроявлениях
можно судить исходя из особенностей сдвижения пород.
На основании многочисленных экспериментальных данных, результатов исследований
моделей из эквивалентных материалов, аналитических расчетов предложено большое
количество схем влияния очистных выработок на окружающий массив [83-94].
Многообразие схем связано со значительным числом задач горного производства,
для решения которых требовались индивидуальные подходы. К ним, например,
относятся выбор рационального места расположения подготовительных выработок,
охрана объектов на земной поверхности, предотвращение повышенных водопритоков в
шахту, восстановление выбросоопасности сближенных пластов и т.д.
С другой стороны отсутствуют, за редким исключением, исследования, в которых
комплексно изучались бы процессы дегазации во времени и пространстве толщи
вмещающих пород и угольных пластов с учетом образования зон влияния очистных
работ. По этой причине до настоящего времени не разработана общая модель
газовыделения из источников, которая хотя бы качественно учитывала реальные
процессы сдвижения пород вокруг очистных выработок.
2.1. Особенности сдвижения пород
Наиболее детально схемы образования зон с разным напряженным состоянием пород
рассматривались при разработке мер по охране сооружений на земной поверхности
[83, 84] и изучении механики горных ударов и выбросов [94]. В предложенных
схемах авторами учитываются не только образование зон с разным напряженным
состоянием пород, но и изменение профиля земной поверхности (появление мульд
сдвижения). Это позволяет использовать достоверные маркшейдерские замеры на
земной поверхности для подтверждения процессов, происходящих в глубине пород.
В части определения параметров мульд сдвижения накоплен значительный
экспериментальный материал, на основании которого разработан нормативный
документ [95]. После его издания стало возможным производить необходимые
инженерные расчеты размеров мульд сдвижения с использованием конкретных данных
о глубине ведения горных работ, мощности разрабатываемого пласта, состава
вмещающих пород, степени метаморфизма углей и т. д. Кроме указанных параметров
учитываются также размеры выработанных пространств ранее отработанных и
действующих лав, что позволяет анализировать влияние развития очистных работ на
формирование зон с разным напряженным состоянием.
Обобщенные данные, приведенные в работах [83, 84, 94, 95], в совокупности с
результатами исследований [85, 91, 96], дают довольно полное представление о
размерах зон с разным напряженным состоянием на момент окончания процессов
сдвижения пород (рис. 2.1). Длительность формирования указанных зон в
зависимости от условий составляет 2…44 месяца после прекращения очистных работ
[95].
Рис.2.1 Зоны влияния очистной выработки согласно обобщения данных [83-85, 91,
94-
96].
1,2,3 – мульды сдвижения земной поверхности соответственно при размерах
выработки
L1, L2 и L3;
4 – граница влияния очистной выработки при полной подработке земной поверхности
с
учетом ее возможного поднятия согласно [85, 91];
L1, L2 и L3 – размеры очистной выработки соответствующие сдвижению земной
поверх-
ности (з1max=15мм), достижению ее полной подработки (з2max= з0) и образо-
ванию плоского дна мульды (з3max= з2max= з0);
з0 – максимальное сдвижение земной поверхности после ее полной подработки;
m – мощность разрабатываемого пласта;
Н – глубина залегания пласта;
h – расстояние, на котором сказывается влияние выработки в надработанных
породах;
– граничный угол;
– угол полных сдвижений;
Iа, IIа, IIIа, IVа, Vа, VIа, Iб, IIб, IIIб, IVб, Vб – характерные зоны влияния
очистной выработ-
ки, отличающиеся между собой разным напряженным состоянием пород.
Предполагается, что окончательное образование зон влияния очистных выработок
происходит при неизменных размерах последних.
Газовыделение из угольных пластов и вмещающих пород возможно только при
нарушении природного равновесия систем «газ – уголь» или «газ – порода». В
условиях действующих шахт одним из факторов, влияющим на устойчивость указанных
систем, является физическое воздействие в виде подработки или надработки
вмещающих пород и сближенных пластов [97].
При разработке нормативного документа [95] были приняты некоторые условные
положения, влияющие на общие представления о равновесии природных систем «газ –
уголь» или «газ – порода». Они заключаются в следующем:
* за начало сдвижения земной поверхности принят момент, когда оно составляет не
менее 15 мм. Это со