Горные удары и внезапные выбросы угля (породы) и газа

1.

2.

Понятие горного удара
Горный удар - мгновенное хрупкое разрушение
угольного (рудного) целика, краевой части пласта (
массива) или боковых пород, находящихся в
предельно
напряженном
состоянии,
проявляющееся в виде отброса или выдавливания
угля (породы) в горные выработки и приводящее к
повреждению горной крепи, смещению машин,
оборудования и нарушению технологического
процесса.
2

3.

Виды деформации
Упругая деформация — деформация, исчезающая после прекращения
действий на тело внешних сил.
Пластическая (неупругая) деформация — остаточная деформация
без
макроскопических
нарушений
сплошности
материала,
образовавшаяся в результате воздействия силовых факторов.
3

4.

Виды разрушений
В зависимости от степени пластической деформации
разрушением различают два основных вида разрушений:
перед
Хрупкое разрушение: отсутствие пластической деформации или при
её незначительном развитии перед разрушением, происходит путём
отрыва или скола;
Вязкое разрушение: материал претерпевает перед разрушением не
только упругую, но и значительную пластическую деформацию,
происходит путём сдвига под действием касательных напряжений
4

5.

Предельно напряженное состояние
Предельное напряженное состояние — соответствует такому
напряженному состоянию породы, когда любое малое
дополнительное усилие приводит материал в его неустойчивое
состояние.
8.1
5

6.

Понятие горного удара
Горный удар - мгновенное хрупкое разрушение
угольного (рудного) целика, краевой части пласта (
массива) или боковых пород, находящихся в
предельно
напряженном
состоянии,
проявляющееся в виде отброса или выдавливания
угля (породы) в горные выработки и приводящее к
повреждению горной крепи, смещению машин,
оборудования и нарушению технологического
процесса.
6

7.

Горный удар в подготовительной выработке
Время: Миллисекунды
Эффект:
Полное разрушение
штрека!
7

8.

Горный удар в подготовительной выработке
8

9.

Горный удар
Горный удар возникает внезапно и сопровождается:
-резким звуком
-сотрясением горного массива
-образованием большого количества пыли и воздушной
волной
-на газоносных угольных пластах удар приводит к
повышенному газовыделению, а на крутых пластах
может вызвать обрушение или высыпание угля
8.2
9

10.

Горный удар
Горный удар происходит вследствие превышения скорости
изменения напряженного состояния Vн над максимально
возможной скоростью перехода пласта в предельное
состояние за счет пластического деформирования в данном
месте V пл.
Показатель хрупкости N, который отражает характер
поведения угольного пласта в условиях сложного
напряженного состояния:
N=Vн / V пл .
При N < 1 хрупкое разрушение пласта исключается. Хрупкое
разрушение и проявление горного удара возможно лишь
при N > 1.
10

11.

Горный удар
Разрушительная сила горного удара определяется
коэффициентом динамичности:
Кд =Wп / Wу
uде: Wп - величина притока внешней энергии, Wу энергия необходимая для разрушения пород (угля) в
очаге горного удара.
Горные удары происходят при Кд > 0.
Величина Кд изменяется от 0 до 10 и более.
11

12.

Классификация горных ударов
По
интенсивности
подразделяют на:
проявления
горные
удары
-собственно горные удары
-микроудары
-толчки
-стреляния
-горный удар с разрушением пород почвы (кровли)
выработки
-горно-тектонические удары
12

13.

Классификация горных ударов
Собственно горные удары происходят в целиках
перед лавой, в том числе в краевой части целика
(перед лавой), в выработках за фронтом горных работ с
разрушением пород кровли или выдавливанием пород
почвы.
Микроудар — осыпание угля (породы) в горные
выработки без нарушения технологического процесса,
сопровождаемое резким звуком, сотрясением горного
массива, образованием пыли, а на газоносных пластах
— газовыделением.
13

14.

Классификация горных ударов
Толчок — разрушение пласта угля (породы) в глубине
массива
без
отброса
в
горную
выработку,
сопровождающееся звуком, сотрясением массива,
образованием пыли, а на газоносных пластах —
газовыделением.
Стреляние — разрушение и отскакивание кусков угля
(породы)
на
обнаженных
участках
массива,
сопровождаемое резким звуком.
8.3
14

15.

Классификация горных ударов
Горный удар с разрушением пород почвы (кровли)
выработки — хрупкое разрушение слоя породы почвы
(кровли) выработки в результате превышения предела
прочности его в условиях изгиба со сжатием.
Сопровождается заполнением выработки разрушенным
материалом,
повреждением
механизмов
и
оборудования, сильным звуком, сотрясением и
пылеобразованием, а на газоносных пластах —
повышенным газовыделением.
8.4
15

16.

Классификация горных ударов
Горно-тектонический
удар
—
вызывается
воздействием
энергии
сейсмических
волн
от
толчкообразного деформирования горного массива, в
том числе техногенных землетрясений, и проявляется в
виде горных ударов на нескольких участках шахтного
поля или группы шахт.
Горно-тектонический удар сопровождается сильными
сотрясениями массива, резким звуком, образованием
пыли и воздушными волнами.
16

17.

Классификация горных ударов
Классификация по месту проявления предусматривает семь групп
собственно горных ударов:
а) Группа I
- в сплошных целиках (рис а);
б) Группа II
- в целиках, прорезанных выработками (рис. б);
в) Группа III
- в целиках, отделенных от массива выработками
(рис. в);
г) Группа IV - в краевой части угольного пласта (рис. г);
д) ГруппаV
- в выработке, проведенной в угольном массиве
(рис. д);
ж) Группа VI- в выработках с разрушением почвы или кровли
пласта (рис. е).
Интенсивность проявления признаков удароопасности возрастает
при увеличении глубины разработки, отработке целиков угля,
работе встречными забоями;
17

18.

Классификация горных ударов
18

19.

Баланс энергии горного удара
19

20.

Система обеспечения геодинамической
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРОГНОЗА
ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ
безопасности
ГЕОДИНАМИЧЕСКОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ НЕДР
I УРОВЕНЬ
II УРОВЕНЬ
• ВЫДЕЛЕНИЕ БЛОЧНОЙ СТРУКТУРЫ
МЕСТОРОЖДЕНИЯ;
• УТОЧНЕНИЕ ГРАНИЦ БЛОКОВ И
ВНУТРИБЛОКОВЫХ СТРУКТУР;
• ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННОСТИ БЛОКОВ;
• ДЕТАЛИЗАЦИЯ ТНЗ;
• ВЫДЕЛЕНИЕ ТЕКТОНИЧЕСКИ
НАПРЯЖЕННЫХ ЗОН (ТНЗ);
• ГЕОМЕТРИЗАЦИЯ ГОЗ И ИХ
ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ПО СТЕПЕНИ
ОПАСНОСТИ
• ПРОГНОЗ ГЕОДИНАМИЧЕСКИ
ОПАСНЫХ ЗОН (ГОЗ)
III УРОВЕНЬ
• УТОЧНЕНИЕ ГРАНИЦ ГОЗ;
• ТЕКУЩИЙ ПРОГНОЗ УДАРОИ ВЫБРОСООПАСНОСТИ
20

21.

Прогноз геодинамического и
геомеханического состояния недр
21

22.

Обеспечение геодинамической
безопасности
МЕРОПРИЯТИЯ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ
ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
II УРОВЕНЬ
ШАХТНЫЙ
III УРОВЕНЬ
ЛОКАЛЬНЫЙ
• РАСКРОЙКА МЕСТОРОЖДЕНИЯ НА
ШАХТНЫЕ ПОЛЯ;
• РАСКРОЙКА ШАХТНОГО ПОЛЯ НА
ВЫЕМОЧНЫЕ БЛОКИ;
• КОМПЛЕКС ЛОКАЛЬНЫХ
МЕРОПРИЯТИЙ В ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ
И ОЧИСТНЫХ ЗАБОЯХ
• ПОРЯДОК И КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН
ОТРАБОТКИ ШАХТНЫХ ПОЛЕЙ;
• ВЫБОР МЕСТ ЗАЛОЖЕНИЯ И
НАПРАВЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ
ВСКРЫВАЮЩИХ ВЫРАБОТОК;
I УРОВЕНЬ
РЕГИОНАЛЬНЫЙ
• КОНТРОЛЬ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЛЕКСА МЕР
• ВЫБОР МЕСТ ЗАЛОЖЕНИЯ СТВОЛОВ
• РЕГИОНАЛЬНЫЙ МОНИТОРИНГ
УДАРО- И ВЫБРОСООПАСНОСТИ
• РЕГИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ:
ЗАЩИТНЫЕ ПЛАСТЫ,
ДЕГАЗАЦИЯ,
УВЛАЖНЕНИЕ;
• ПАРАМЕТРЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
РЕШЕНИЙ ПО ПОДГОТОВКЕ И
ОТРАБОТКЕ ЗАПАСОВ
22

23.

Геодинамическое районирование (I уровень)
А-Судженск
Ïèíèã
èíñê
îå
ì-íèå
Границы Кузбасса
Кемерово
Ерунаковский геологопромышленный район
Л-Кузнецкий
Белово
кий
вс
о
ан
м
ыт
Прокопьевск
К
Новокузнецк
кий
ирс
-тем
Том
6
№
ый №
Схема тектонического строения Кузбасса
7
ян
ны
й
7
9
мянн
Безы
ебедс
кой
Междуреченск
ский
но
елги
Таш
мско-л
5
Осинники
Кондо
3
1
23

24.

Геодинамическое районирование (I уровень)
Блоковая структура Талдинской площади Кузбасса
Прогнозная карта напряженного состояния ( x) блочного
массива горных пород Талдинской площади Кузбасса
24

25.

Детализация тектонически нарушенных зон
(II уровень)
Пространственная геодинамическая модель участка сопряжения тектонических
нарушений Д-Е и Е2 в блоке “Южный” шахты “Комсомольская”
25

26.

Установление опасности геодинамически
нарушенных зон (II уровень)
Разломы определяют напряженное состояние блочной структуры и образуют зоны сжатия и растяжения.
26

27.

Прогноз геодинамического состояния недр
(II уровень)
27

28.

Прогноз опасного состояния участков пласта
(III уровень)
800
лава 6706
700
диа
гон
а
67 льна
04
я
(2) печ
ь
300
200
диа
гон
а
67 льна
04
я
(1) печ
ь
лава 6705
400
монтажная камера
6704
ди
аго
нал
ь
6 70 ная
печ
5
500
ь
монтажная камера
6705
600
лава 6704
0
-0.2875
-0.359375
-0.3953125
-0.41328125
-0.422265625
-0.43125
-0.503125
-0.575
-0.8625
-1.00625
-1.15
-1.175
-1.1875
-1.19375
-1.1953125
-1.196875
-1.2
-1.3
-1.35
-1.375
-1.3875
-1.39375
-1.396875
-1.4
-1.6
-1.7
-1.75
-1.775
-1.7875
-1.79375
-1.796875
-1.8
-1.9
-1.95
-1.975
-1.9875
-2
-3
-3.2
100
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
Прогноз удароопасности определяет состояние участка пласта как
опасное/ не опасное.
28

29.

Цифровое моделирование (III уровень)
Зоны разлома в
пласте прим. 10 м
29

30.

Ручной прогноз (III уровень)
30

31.

Прогноз удароопасности
- Поведение угольного пласта в условиях сложного напряженного состояния для оценки
удароопасности характеризуется показателем хрупкости.
- Базовым методом установления категории удароопасности участков угольных пластов
является метод замера выхода буровой мелочи при бурении скважин диаметром 43 мм.
- Локальный прогноз удароопасности на рудниках производится по дискованию керна, по
трещиноватости, по усилию вдавливания индектора.
- В особо сложных условиях ведения горных работ контроль удароопасности должен
производиться не реже, чем через 2 м.
- В капитальных выработках на пластах, склонных к горным ударам прогноз удароопасности
необходимо проводить ежегодно.
- Периодичность прогноза удароопасности в зоне повышенного горного давления должна
быть не реже, чем через 2 м.
- Для прогноза удароопасности в подготовительных выработках впереди очистного забоя с
каждой стороны выработки бурят не менее 3-4 скважин.
- В зонах влияния геологического
производить не реже, чем через 2 м.
нарушения
прогноз
удароопасности
необходимо
31

32.

Внезапный выброс
Внезапный выброс
угля (породы) и газа –
быстроразвивающееся газодинамическое явление с
разрушением массива, отбросом (смещением)
горной массы и выделением газа в горную
выработку.
32

33.

Признаки внезапного выброса
Отличительными признаками внезапного выброса угля
и газа являются:
-образование в угольном массиве полости;
-отброс угля от забоя на расстояние, превышающее
протяженность возможного размещения его под углом
естественного откоса;
-смещение угля в выработку;
-повышенное по сравнению с обычным выделение газа
в горную выработку, при котором относительное
газовыделение больше разности между природной
газоносностью пласта и остаточной газоносностью
выброшенного угля.
33

34.

Образование полости при внезапном
выбросе
34

35.

Предвестники внезапного выброса
Внезапным выбросам могут предшествовать:
- резкое увеличение газовыделения в выработку;
- шелушение забоя;
- появление пылевого облака на груди забоя;
- удары и трески в массиве;
- выдавливание или высыпание угля из забоя;
-отслаивание кусочков угля от забоя;
- зажим, выталкивание или втягивание бурового
инструмента в шпур (скважину);
- вынос газа и штыба при бурении.
35

36.

Условия возникновения внезапных
выбросов
Опасность проявления внезапных выбросов, их частота
и сила возрастают с:
- увеличением глубины горных работ;
- ростом давления газа;
- увеличением угла падения;
- увеличением мощности пластов;
- c приближении горных работ к тектоническим
нарушениям.
36

37.

Условия возникновения внезапных
выбросов
- Сила внезапных выбросов в очистных выработках
бывает большей, чем в подготовительных.
- Наибольшую силу имеют выбросы, происходящие при
вскрытии выбросоопасных пластов
шахтными
стволами и квершлагами
- Внезапные выбросы с участием углекислого газа,
превосходят по силе выбросы с участием метана.
- Между давлением газа в пласте и его опасностью по
внезапным выбросам нет непосредственной связи (так,
угольные пласты с давлением газа 2,5-3,0 МПа не
давали внезапных выбросов, тогда как на пластах с
давлением газа 0,2-0,3 МПа выбросы происходили).
37

38.

Условия возникновения внезапных
выбросов
В подавляющем большинстве случаев развитие
внезапных выбросов связано с непосредственным
механическим воздействием на полезное ископаемое
или породу:
- производством взрывных работ,
- воздействием на забой добычного механизма или
инструмента.
38

39.

Условия возникновения внезапных
выбросов
- Обычно выбросы происходят через несколько секунд
после динамического воздействия на забой.
- Случаются “запоздалые” выбросы, происходящие
через более длительные промежутки времени после
динамического воздействия, от нескольких минут до
нескольких часов.
- В отдельных случаях выбросы происходят и при
отсутствии работ в забое или даже при длительной его
остановке.
39

40.

Гипотезы о возникновении внезапных
выбросов
Относительно причин и вероятного механизма
внезапных выбросов высказывались различные точки
зрения:
- одни исследователи приписывают главенствующую
роль газовому фактору (давлению газов, заключенных в
порах выбросоопасных пород);
- другие - напряжённому состоянию.
40

41.

Внезапный выброс VS Горный удар
Внезапные выбросы и горные удары имеют ряд общих
черт:
-нахождение участка массива накануне разрушения в
напряженном состоянии, близком к предельному;
-лавинообразный
характер
развития
процесса
разрушения; хрупкая форма разрушения горной породы
при горном ударе и внезапном выбросе.
41

42.

Внезапный выброс VS Горный удар
Горный удар
Внезапный выброс газа/угля
Основная причина – горное давление
Основная причина – давление газа
Первично выделяется энергия упругой
деформации
Первично выделяется энергия давления газа
Разрушение внезапное, движение почвы интенсивное
Вторично уголь выделяет газ
Уголь в основном связанный (крупной
кусковатости)
Зачастую разрушена грудь забоя
Механическое разрушение зачастую существенное
Деформация выработок большая
Не возникает каверн
Перемежение пласта и вмещающих пород
Возможная связь с тектоническими нарушениями
Внезапное распространение
Не возникает предварительного шума
Часто происходит в груди забоя
Возникает также без активного ведения работ
Разрушение медленнее, движения почвы малоинтенсивные
Вторично газ выталкивает уголь или породу
Уголь мелкой фракции
Разрушаются только рабочие выработки
Механическое разрушение малое или его нет
В целом проходит без деформации выработок
Возникновение каверн в груди забоя
Иногда оседание вмещающих пластов
В целом связано с тектоническими нарушениями
Распространение в течении нескольких секунд или
минут
Зачастую шум предшествует событию
Возникает только в груди забоя с высоким
содержанием метана в угле
Возникает только в активно разрабатываемых
забоях
42

43.

Прогноз выбросоопасности
Производится на следующих этапах:
-освоения месторождения (шахтного поля);
-при ведении геологоразведочных работ;
- при вскрытии пластов;
-при проведении подготовительных выработок
ведении очистных работ.
и
43

44.

Текущий прогноз выбросоопасности
-по структуре пласта- прочность угольных пачек ( 0,1 – 0,2
м ) менее 75 у.е.
-по начальной скорости газовыделения из контрольных
шпуров c применением прибора ПГ-2МА
-по акустической эмиссии горного массива с применением
звукоулавливающей аппаратуры ЗУА
-по
амплитудно-частотным
характеристикам
искусственного сигнала c применением аппаратуры АК-1
44

45.

Текущий прогноз выбросоопасности
Прочностомер П-1
Прибор для замера начальной скорости
газовыделения из шпуров
Составной пневматический герметизатор шпуров
Бурение прогнозной скважины
Пересып буровой мелочи в мерное ведро
Измерение объема буровой мелочи мерным ведром
45

46.

Предотвращение внезапных выбросов
Региональныe мероприятия:
- опережающая отработка защитных пластов в
свите;
- дегазация угольных пластов;
- увлажнение угольных пластов.
46

47.

Схемы использования защитных пластов
А - очистная выработка на защитном
пласте;
В - выработанное пространство на
отработанных горизонтах;
С - границы защиты;
47

48.

Дегазация
48

49.

Предотвращение внезапных выбросов
Локальные способы:
- гидрорыхление;
8.5
- низконапорное увлажнение;
- низконапорная пропитка;
- гидроотжим с предварительным увлажнением;
- гидровымывание опережающих полостей;
- образование разгрузочных пазов и щелей в угольном
пласте и вмещающих породах;
- бурение опережающих скважин;
- торпедирование угольного массива;
- образование разгрузочной щели по длине очистного
забоя.
49

50.

Меры по борьбе со внезапными выбросами
- Служба предупреждения газодинамический явлений
подчиняется непосредственно начальнику участка ВТБ.
на
шахте
- Комплекс мер по борьбе с внезапными выбросами угля (породы) и газа
утверждается руководителем организации.
- Ответственность за обеспечение безопасных условий труда при
разработке выбросоопасных угольных пластов возлагается на
технического руководителя шахты!
50

51.

Меры по борьбе со внезапными выбросами
- На выбросоопасных пластах подготовительные выработки с углами
наклона более 10° должны проводиться в направлении сверху вниз.
- Полевые выработки должны закладываться на расстоянии
выбросоопасных угольных пластов по нормали не менее 5 м.
от
- В аварийных случаях (с введением в действие плана ликвидации
аварий) допускается проведение выработки с углами наклона более 10° в
направлении снизу вверх c применением отбойных молотков.
- При проведении подготовительных выработок по угольным пластам в
выбросоопасных зонах должна применяться рамная крепь.
51