Внезапные обрушения (высыпания) угля - это газодинамическое явление (далее - ГДЯ), представляющее собой быстропротекающее разрушение нависающего массива угля, сопровождающееся выделением газа.

Отличительные признаки внезапных обрушений следующие:

-              форма полости свечеобразная или карманная, причем ось полости направлена по восстанию пласта;

-              обрушившийся уголь располагается под углом, близким к углу естественного откоса;

-              величина относительного газовыделения, представляющая собой отношение абсолютного количества выделившегося при явлении газа к количеству обрушившегося угля, меньше разности между природной газоносностью угольного пласта и остаточной газоносностью обрушившегося угля.

При внезапных обрушениях угля происходят повреждения крепи и оборудования, загазирование выработок, нарушение технологического цикла выемки угля, травмирование работающих.

Уровень проявления внезапных обрушений угля на крутопадающих пластах сопоставим с уровнем проявления внезапных выбросов угля и газа, поэтому внезапным обрушениям угля всегда уделялось должное внимание, как работников производства, так и ученых.

Характерной особенностью внезапных обрушений угля является то, что факторами, определяющими возникновение и развитие процесса внезапных обрушений угля, являются горное давление и гравитационные силы. Поэтому, обрушения угля происходят только на крутонаклонных и крутых пластах.

Мероприятия по безопасной разработке пластов, склонных к внезапным обрушениям (прогноз опасности, способы предотвращения, технология выемки), должны базироваться на научной основе, объясняющей природу и механизм этих явлений. Общепринятые теории (гипотезы) трактуют процесс внезапных обрушений (высыпаний) угля как деформирование сыпучих сред [1].

В сыпучую массу угольный пласт превращается в основном под влиянием механических факторов: тектонических процессов (зоны геологических нарушений) и сил горного давления - опорного от горных работ собственного пласта и повышенного - от влияния очистных выработок соседних в свитах пластов.

Однако при этом недостаточно учитываются структурные преобразования в угольном веществе под влиянием различных факторов, включая газовую составляющую.

С увеличением глубины разработки угольных пластов количественные и качественные параметры процессов обрушения изменяются, что вызывает необходимость рассмотрения этих явлений в зависимости от физико-механического состояния угольного пласта, обусловленного особенностями структуры и степенью газонасыщения угля.

Способность углерода существовать в различных аллотропных модификациях в зависимости от термодинамических условий среды в переходных процессах структурного преобразования проявляется в особенностях размещения его атомов относительно друг друга.

Процессы изменения структуры вещества обычно характеризуются довольно высокими энергиями активации. Вероятность формирования более устойчивых структур, равно как и скорость полиморфных превращений, возрастает при нагревании и повышении давления. При охлаждении таких систем, процессы перестройки замедляются, а затем полностью останавливаются. В твердом теле формируется метастабильная структура с относительно устойчивым отклонением от энергетически устойчивого состояния. Отсюда следует, что несвоевременная остановка полиморфных превращений в углях в процессе генезиса сформировала в них и соответствующие физические характеристики, такие как твердость, прочность, пластичность.

Согласно установленной зависимости прочности углей от степени их метаморфизма [2] менее прочными являются угли с выходом летучих веществ от 10 до 36%. Длиннопламенные угли и антрациты, выбросоопасность которых минимальна или отсутствует, оказались наиболее прочными. Следовательно, угли с пониженными значениями прочностных характеристик обладают нестабильными структурными формированиями и предрасположенностью к выбросоопасности и обрушениям.

Для сопоставления углей по способности к тектоническому разрушению были изучены акустические характеристики углей в различных режимах деформационного напряжения из выбросоопасного и невыбросоопасного шахтопластов в дегазированном и газонасыщенном состояниях [3]. При анализе экспериментальных данных было обнаружено, что у дегазированных образцов при их медленном нагружении деформирование и разрушение происходят за одно и то же время. С увеличением скорости нагрузки время разрушения для обоих типов углей уменьшается в 2 раза, время деформирования - в 4 раза. При этом предел прочности и модуль упругости выше у выбросоопасного угля. С нарастанием скорости деформирования в выбросоопасном угле амплитуда акустических сигналов выше на 5-8%, число импульсов - на 20%, число импульсов за весь период деформирования - на 50%. При достижении скорости нагружения 1 см/мин число импульсов (дефектообразование) в выбросоопасных углях снижается в 5 раз, невыбросоопасных - в 2,5 - 3 раза. Авторы [3] считают, что при этом условная энергия импульсов выше в выбросоопасных образцах вследствие большей ее диссипации.

При изучении процессов разрушения угля, различного по выбросоопасности в газонасыщенном состоянии, было установлено [3], что при скорости деформирования 1 см/мин модуль упругости обоих типов углей повышается на 40 - 50%, в одинаковой мере понижается предел прочности углей и растет число импульсов относительно дегазированных углей. С увеличением скорости деформирования дефектоспособность невыбросоопасных углей по числу импульсов начинает превышать выбросоопасный уголь практически в 6 раз, т. е. получается, что для образования дефектов в невыбросоопасном пласте при достижении скорости нагрузки порядка 10 см/мин требуется значительно меньше усилий.

Согласно каталогу коллекторских свойств каменных углей и антрацитов, составленному МакНИИ, исследуемые угли из выбросоопасного пласта h61 и невыбросоопасного пласта l4 различаются по объему пор в 1,8 - 2,5 раза. Образцы угля из невыбросоопасного пласта l4 с большей пористостью поглотили больше газа, что привело к большей хрупкости, меньшей микротвердости при нагрузке. Отсюда следует, что угли, характеризуемые выходом летучих веществ от 10 до 36% способны изменять свои прочностные параметры в различных режимах деформации пропорционально степени их газонасыщения и независимо от их категории по выбросоопасности. Невыбросоопасность вполне может быть обусловлена способностью угля к дегазации при достаточной его пористости и газопроницаемости, что определяет уровень изменения его реологических характеристик при деформации. Состояние микро- и макроструктуры угля формирует и регулирует степень газонасыщения (дегазации), возможность деформирования и энергию межструктурных связей, соотношение различных по устойчивости структурных блоков (агрегатов), а, следовательно, и прочностные свойства угля.

Исходя из изложенного, следует считать, что формирование процесса разрушения угля сопровождают следующие условия:

-              деформационные процессы во вмещающих пласт породах, протекающие с различной скоростью;

-              степень газонасыщения угля;

-              кинетические параметры газоотдачи в процессе деструкции;

-              возможность поддерживания уровня газоносности угля прилегающими породами;

-              возвратное поглощение углем накопленного у его поверхности газа;

-              наличие вторичных структурных образований и их агрегативная устойчивость.

В соответствие с реализацией приведенных факторов были разработаны четыре основных подхода к механизму развития внезапных обрушений в угольных пластах.

I. Если уголь дегазирован, объем его минимален, микропоры перекрыты, энергия межструктурных связей минимальна, прочностные характеристики повышены. В таком состоянии уголь может обрушиться за счет кливажных трещин, способствующих потере его сцепления с окружающим массивом и отделиться от него в силу гравитации. Обрушение, как правило, крупноблочное.

II. Если уголь газонасыщен, то степень деструкции будет соответствовать его удельному объему, заполненному газом. При достаточно быстрой дегазации угля, не поддерживаемой фильтрацией газа из окружающего массива, начинает развиваться и действовать механизм разрушения, сопровождаемый давлением газа в трещинах.

При сравнительно малом объеме пор в угле и медленном нагружении за счет повышения модуля упругости, процессы деструкции замедляются. Причем количество образуемых дефектов, меньше, а их интенсивность, за счет давления газа, больше. Десорбция протекает медленно, постепенная релаксация энергетического состояния структуры приводит к повышению жесткости ее элементов. В случае малой газопроницаемости основной части обрушаемого блока массива, помимо гравитации существенную роль может сыграть давление свободного газа.

Как отмечалось ранее, вмещающие угольный пласт породы, особенно с увеличением глубины, являются накопителями газа и могут служить источником постоянного пополнения дегазирующихся углей. В таком случае обрушение развивается в зависимости от скорости деформирования. В условиях объемного сжатия при достаточных внешних напряжениях в условиях сохранения неустойчивого состояния структурных элементов резко возрастает хрупкость угля. Обрушение микроблочные или в виде высыпаний.

III. Внезапные обрушения наблюдаются в угольных пластах, находящихся в состоянии относительной геодинамической стабильности. Как показывает практика отработки угольных пластов, особенно крутопадающих, шахтный метан, концентрируясь в верхней части выработки, способен поглощаться углем. Отметим, что газ при этом ведет себя как генетически "родной" компонент, поглощаемый легко углем. Последний, затем, теряет устойчивость, и обрушается при отсутствии деформационных процессов. По-видимому, при поглощении метана развитой удельной поверхностью угля даже при нормальном давлении, возможны адекватные изменения энергии связей в надмолекуляной структуре угля, приводящие к потере устойчивости ее элементов и последующим высыпаниям.

IV. Как было рассмотрено ранее [4], вследствие геостатических процессов, в угольных пластах возможно формирование зон с так называемым вторичным типом структуры, в которых в результате механических процессов происходят необратимые деформации, вплоть до полного разрушения. К ним относятся и зоны геологических нарушений. В таких блоках массива агрегатная устойчивость угля минимальна и они склонны к активному высыпанию.

Таким образом, внезапные обрушения угля обусловлены снижением его прочностных характеристик, вызванных изменением структурных и газокинетических параметров угля. Механизм проявления внезапных обрушений угля протекает в соответствии со степенью его газонасыщения и структурной нарушенности.

Исходя из изложенных представлений о процессах внезапных обрушений угля, способы предотвращения этих явлений должны основываться на следующих принципиальных положениях:

-              недопущение обнажений нависающего массива угля путем своевременного возведения надежной крепи (затяжка угольного массива, установка отдельных стоек, одно- или двухрядной органной крепи, стропильной крепи);

-              перекрытие угольного массива в месте последующего обнажения опережающей крепью (технологические пазы; анкеры, устанавливаемые с использованием скрепляющих составов и т. д.);

-              укрепление (упрочнение) массива угля в призабойной зоне пласта;

-              эффективное проветривание забоев;

-              дегазация угольных пластов, склонных к внезапным обрушениям.

В настоящее время способы крепления нависающего массива угля, в том числе опережающего, широко применяются в угольной промышленности. В то же время способам упрочнения угольного массива, дегазации пластов внимания уделяется явно недостаточно.

На использовании прочностных и структурных свойств угольного пласта разработан прогноз опасности внезапных обрушений угля [5].

Необходимо отметить характерную особенность, свойственную пластам, склонным к внезапным обрушениям угля: все они одновременно склонны к внезапным выбросам угля и газа. Поэтому дальнейшее совершенствование вопросов безопасной разработки таких пластов (технология, методы прогноза опасности, способы предотвращения ГДЯ) должно идти по пути универсализации, т. е. обеспечивать безопасность ведения работ, как в отношении внезапных обрушений угля, так и внезапных выбросов угля и газа.  

Литература

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

2. Двужильная Н. М. Новые классификационные показатели слабоспекающихся углей высокой степени метаморфизма / Н. М. Двужильная // Геолого-углехимическая карта Донецкого бассейна. – 1954. – Вып. 8. – С. 204-272.

3. Зорин А. Н. Механика и физика динамических явлений в шахтах / А. Н. Зорин, В. Г. Колесников, К. К. Софийский, А. Ф. Папырин, А. А. Прусова. – Киев: Наукова думка, 1979. – 168 с.

4. Коптиков В. П. Внезапные выдавливания угля / В. П. Коптиков, И. А. Южанин, В. П. Евдокимова, В. М. Муравьева, М. Ф. Рыжков. – Донецк: Ноулидж, 2010. – 240 с.

5. СОУ 10.1.00174088.011 - 2005. Правила ведения горных работ на пластах, склонных к газодинамическим явлениям. – Киев, 2005. – 225 с.

Вестник МГГУ № 2 2012