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.