Обеспечение безопасности в угольных пластах, подверженных обрушению

Непредвиденные движения угольных массивов в виде моментального их обрушения ведут, как правило, к выделению горючих газов. Эти явления имеют свои признаки, которые проявляются при следующих факторах:

  • горный массив представляет собой форму свечи или кармана в направлении к полости пласта (восстание пласта);
  • уголь после обвала образует угол, сравнимый с горным откосом, имеющего естественную форму;
  • относительное выделение газа, рассчитанное как деление его общего количества при обвале к объему обрушенного угля, не превышает (и не одинаково по значениям) величины, полученной как разница естественной (природной) газоносности массива и его остаточных значений.

Непредсказуемые угольные обвалы наносят сильные повреждения технике, оборудованию и крепи. Кроме того, эти чрезвычайные происшествия провоцируют загазированность угольных выработок и ведут к технологической разбалансированности производственного процесса. Все это является причиной многочисленных случаев травмирования персонала.

Именно поэтому проблема обрушения угольных пластов так широко изучается научным сообществом и специалистами в области промышленной безопасности опасных производственных объектах на шахтах и рудниках. Специалисты отметили одну очевидную особенность, которая как раз и ведет к обвалам угля – все они являются следствием давления, образовавшегося в горных выработках, и действия гравитационных процессов.

Существует теория, которую можно рассматривать как одну из вероятных гипотез. Согласно ей обвалы и обрушения, осуществляются по причине движения сыпучих материалов, в которые превратился угольный массив. Этот процесс произошел под механическим воздействием, вызванным геологическими тектоническими действиями и высоким давлением в выработках, в том числе соседних свитах угольных пластов.

Обеспечение безопасности в шахтах и недопущения непредсказуемых обвалов, должно реализовываться на основе этих теоретических базовых знаний. Речь идет об оценке рисков на подобных объектах, формировании методов их предотвращения и разработке безопасных способов выемки угля. При этом необходимо учитывать все изменения структуры угля, как вещества, которые в нем происходят. Особенный акцент в этом случае делается на газовые процессы. Кроме того, все характеристики (количественные и качественные) угольных пластов, в том числе их газовая насыщенность, изменяются исходя из глубины расположения горной выработки.

Дело в том, что уголь это, по сути, углерод в чистом виде, который имеет разнообразные аллотропные формы. Они зависят от термодинамических процессов, происходящих в среде и ведущих к структурным изменениям вещества, характеризующихся достаточно высокой энергией активации. Структура вещества тем устойчивей и стабильней, чем выше температура и горное давление. Это соответственно относится и к активности полиморфных изменений. Если подобные системы попадают в режим охлаждения, то все внутренние процессы постепенно останавливаются. Такие твердые вещества обладают структурой (метастабильной), которая сохраняется даже при определенных возмущениях. Именно поэтому, в зависимости от момента, в котором был остановлен процесс полиморфного превращения угля, формируются его физические параметры. Это может быть пластичное вещество или твердое.

Существует зависимость прочности угля от содержания в нем газов. Если в нем выход летучих веществ составляет в пределах 10 – 36%, то вещество является недостаточно прочным. Антрациты или каменные угли с определенной углефикацией (так называемые длиннопламенные угли) имеют пониженную опасность обрушения (или она полностью отсутствует) именно потому, что они являются прочными. Вывод – чем ниже прочностные характеристики угля, тем выше вероятность их обвала в горных выработках.

Специалисты при исследовании угольных веществ, сделали еще одно принципиальное заключение – материал, взятый в пластах, где вероятность обрушения высока и, наоборот, где она низкая, существенно отличается друг от друга своей пористостью. Во втором случае этот показатель выше приблизительно в 2 раза, что ведет к следующим качественным характеристикам: повышенной поглощаемости газа, увеличивающейся хрупкости и относительной невысокой нагрузочной твердости.

Таким образом, обвалы горных пластов сопровождаются следующими процессами:

  • структурные изменения пород, которые происходят с различной динамикой;
  • насыщение газом угольного пласта;
  • перераспределение газа в результате обрушения пород;
  • степень газовой стабилизации в выработке;
  • поглощаемость углем газа, образовавшегося у его поверхности;
  • вторичные структурные процессы и степень устойчивости угольного вещества.

На основании этих данных можно сформулировать основные факторы, влияющие на процесс обрушения угольных пластов в горных выработках:

  1. Обвалы могут произойти по причине гравитационных сил, которые привели в действие породы в момент образования их расслаивания (кливаж) и последующей потери сцепления с основным массивом. В этом случае газа в угле нет, его количество минимально, прочность высокая, микроскопические поры практически отсутствуют, а энергия внутренних связей небольшая.
  2. В варианте, когда насыщенность угля газом высокая, то степень разрушения пород будет осуществляться согласно его количеству. Если процессы дегазации также высоки, а фильтрация газа при этом не соответствующая, то увеличивается давления газа в трещинах и выемках угольных пластов, что ведет к обвалу пород.
  3. Непредвиденные обрушения происходят и в пластах пород, расположенных в стабильном геодинамическом состоянии. Было замечено, что в горных массивах с крутым уклоном образуется метан (в верхней части), поглощаемый углем. Это впоследствии провоцирует обвалы пластов.
  4. В горных выработках образуются зоны вторичных структур, которые деформируются и разрушаются.

Таким образом, можно сделать вывод, что основной причиной обрушения пластов происходит в связи с нарушением прочности угля, которые вызваны структурными изменениями или его газокинетическими характеристиками.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Кроме того, интересно почитать:

Вам понравилась статья? Не хотите пропускать новые? Тогда подпишитесь на RSS или получайте новые статьи мгновенно на электронную почту


Лицензия Creative Commons

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: