2.2.Опережающая разработка защитных пластов

2.2.1Сущность способа

Многолетней практикой было установлено, что если до выемки выбросоопасного пласта раньше отработать другой, близко расположенный к нему пласт, то выбросы на первом прекращаются. Пласт, который отрабатывается первым по отношению к опасному и тем самым защищает его от выбросов, получил название защитного, а защищаемый им пласт — подзащитного.

Если в свите оба пласта опасны по выбросам, в качестве защитного используется менее выбросоопасный пласт или тот, который обеспечивает более полную защиту другого по высоте отрабатываемого этажа (яруса).

На мощных пластах, разрабатываемых слоевыми системами, защитным является слой, который отрабатывается первым.

Эффект защитного действия опережающей отработки пластов заключается в том, что выбросоопасный пласт, будучи подработанным или надработанным, разгружается от повышенного горного давления, снижается его напряженное состояние, что исключает возможность разрушения угля в призабойной зоне и в конечном счете предупреждает развитие процесса выброса угля и газа. Кроме того, в разгруженном пласте происходит расширение пор и трещин, что способствует росту газопроницаемости пласта и его эффективной дегазации, а также закреплению эффекта защитного действия во времени.

Эффективность защитного действия зависит от многих факторов:

• взаимного расположения защитного и опасного пластов в свите;

• угла падения пластов;

• глубины разработки;

• мощности защитного пласта;

• размера выработанного пространства на защитном пласте;

• способа управления кровлей на защитном пласте;

• наличия песчаников в междупластье и др.

Все эти факторы учитываются при построении границ зон защитного действия.

2.2.2Построение границ зон защитного действия

Защищенным от выбросов на опасном пласте может быть лишь участок, попавший в зону интенсивной (достаточной) разгрузки, вызванной выемкой защитного пласта. Отсюда понятна важность вопроса определения границ защитного действия пластов.

Различают границы защитного действия при выемке пласта лавами:

• вкрест простирания пород;

• по простиранию;

• граница зоны защиты в кровлю и почву пласта или, что одно и то же, диапазон защитного действия в кровлю и почву;

• границы зоны восстановления повторной выбросоопасности.

Алгоритм построения границ зон защиты на выбросоопасном пласте при отработке его лавами по простиранию следующий (рис. 13 .53)¹.

Рисунок 13.53 – Этапы построения границ зоны защитного действия вкрест простирания при выемке лавами по простиранию

Оп –опасный пласт; Защ – защитный пласт

1. Вычерчивается в масштабе разрез взаимного расположения опасного и защитного пластов (рис. 13 .53, а).

2. Определяется и изображается на чертеже размер выработанного пространства на защитном пласте по падению а (рис. 13 .53, б).

При этом необходимо руководствоваться следующими положениями:

• если защитный пласт отрабатывается без оставления целиков угля между этажами (ярусами) или ширина оставляемых целиков меньше величины 0,1l_оп (где l_оп – ширина зоны опорного давления, зависящая от мощности защитного пласта и глубины ведения работ и определяемая по номограмме, приведенной на рис. 13 .54), то за величину a принимается суммарная ширина выработанного прост­ран­ства по падению пласта, т. е. суммарная наклонная высота всех отработанных этажей (ярусов);

• Рисунок 13.54 – Номограмма для определения ширины зоны опорного давления

  если размер целика в любом из ранее отработанных ярусов (этажей) превышает зна­чение 0,1l_оп (что является условием сохранения целостности целика), то за величину а прини­мается суммарная ширина выработанного прост­ранства по падению, ограниченная с обеих сторон неразрушен­ными целиками, либо с одной стороны таким целиком угля, а с другой — угольным массивом;

• если с обеих сторон лавы находится массив угля, то ширина вы­ра­ботанного пространства в любом случае будет равна длине лавы.

3. По углу падения отрабатываемого пласта из табл. 13 .2 опре­де­ляются значения углов защитного действия ₁ и ₂ при подработке и ₃ и ₄ при надработке и откладываются на чертеже (рис. 13 .53, в).

Таблица 13.2 – Значения углов защитного действия при подработке и при надработке пластов

Угол падения пласта, градус	Угол защиты, градус				Угол давления, градус
	1	2	3	4	1	2	3
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90	80 77 73 69 65 70 72 72 73 85	80 83 87 90 90 90 90 90 90 80	75 75 75 77 80 80 80 80 78 75	75 75 75 70 70 70 70 72 75 80	64 62 60 59 58 56 54 54 54 54	64 63 60 59 56 54 52 48 46 43	64 63 61 59 57 55 53 52 50 48

4. Определяется размер зоны защиты S₁ в кровлю пласта и S₂ в почву:

S1=12S'1	(13.0)
S2=12S'2,	(13.0)

где ₁ – коэффициент, учитывающий влияние мощности защитного пласта; ₂ – коэффициент, учитывающий процентное содержание песчаников в породах междупластья; S^'₁ и S^'₂ – размеры условной защищенной зоны соответственно в кровлю и почву пласта, м (таблица 13 .3).

Таблица 13.3 – Размеры условно защищенной зоны соответственно в кровлю S^'₁ и почву S^'₂ пласта

Глубина работ H, м	Значения S'1, м						Значения S'2, м
	Наименьший размер a или b1, м						Наименьший размер a или b, м
	100	125	150	175	200	250	100	125	150	200	250
300	125	148	172	190	205	220	76	83	87	90	92
400	112	134	155	170	182	194	58	66	71	74	76
500	100	120	142	154	164	174	49	56	62	66	68
600	90	109	126	138	146	155	43	50	55	59	61
800	73	90	103	117	127	136	36	41	45	49	50
1000	57	71	88	100	114	122	32	36	41	44	45
1200	50	63	80	98	104	113	30	32	37	40	41

Для нахождения значений ₁ необходимо определить критическую m₀ и эффективную m_эф мощности защитного пласта.

Критическая — это такая условная мощность, которая численно равна величине упругого восстановления массива пород почвы и кровли после выемки пласта. Физический смысл ее состоит в следующем.

Если суммарная величина упругого восстановления породного массива меньше мощности защитного пласта, то, следовательно, распрямление пород не ограничивается мощностью пласта, и защитное действие может проявиться на максимально возможное для конкретных условий расстояние.

Если же суммарная величина упругого восстановления пород больше мощности пласта, то, естественно, защитное действие распространится на меньшее расстояние, поскольку мощность пласта препятствует полному распрямлению сжатых пород.

Рисунок 13.55 – Номограмма для определения критической мощности защитного пласта m0

Критическая мощность защитного пласта зависит от ширины выработанного пространства а на защитном пласте и глубины работ H (расстояние от дневной поверхности до нижней отметки очистной выработки защитного пласта) и определяется по номограмме (рис. 13 .55). При этом если определенная в п. 2 ширина выработанного пространства на защитном пласте а превышает значение 0,3H, то при пользовании номограммой (рис. 13 .55) следует принять а равным 0,3H, но не более 250 м.

Эффективной мощностью защитного пласта называется та часть его вынимаемой мощности, в пределах которой возможно упругое восстановление пород кровли и почвы. Значение ее определяется из выражения:

mэф = k m,

(13.0)

где k – коэффициент, учитывающий компрессионные свойства закладочного материала; k=0,2 при гидравлической закладке; k=0,3 при других видах закладки. Для крутых пластов Центрального района Донбасса: k=0,35 при гидравлической закладке; k=0,45 при других видах закладки; k=0,7 при управлении кровлей удержанием на кострах. При управлении кровлей полным обрушением во всех случаях k=1.

После определения m₀ и m_эф, значение ₁ находится по формуле:

(13.0)

Если значение ₁ окажется больше единицы, то следует принять ₁=1.

Коэффициент ₂ определяется по формуле:

(13.0)

где  – процентное содержание песчаников в породах междупластья.

По найденным значениям ₁ определяются истинные значения S₁ и S₂ (формулы ( 13 .0) и ( 13 .0)), и на чертеже оконтуриваются зоны защитного действия (рис. 13 .53, г).

5. Определяется минимально допустимое опережение очистного забоя на защитном пласте относительно забоев на защищаемом. При этом в качестве границы очистной выработки на защитном пласте принимается наиболее отстающий участок очистного забоя, а в качестве границы на выбросоопасном пласте — наиболее передовой забой подготовительной выработки или очистной, если подготовительная выработка проводится позади очистного забоя.

Минимально допустимое опережение защитного пласта принимается равным не менее мощности междупластья (рис. 13 .56), то есть

при подработке	b'1  h1;	(13.0)
при надработке	b'2  h2,	(13.0)

но во всех случаях оно должно быть не менее 20 м.

Рисунок 13.56 – Схема построения защищенной зоны по простиранию пласта для случая, когда a < L1 + L2

Установленные выше границы защитного действия справедливы для случая, когда после выемки защитного пласта не происходит восстановление напряженного состояния защитного пласта до опасных пределов. А это возможно при небольшой ширине выработанного пространства на защитном пласте или при небольшом расстоянии между опасным и защитным пластами. При значительных же расстояниях, когда в результате надработки или подработки опасного пласта не происходит его дегазация, с течением времени может произойти восстановление напряженного состояния до опасных пределов и появиться повторная выбросоопасность на отдельных участках ранее защищенной зоны. Если по каким-либо производственным или техническим причинам невозможно обеспечить максимально допустимое опережение в разработке защитного пласта, то необходимо оконтурить зоны повторной выбросоопасности и в них применять противовыбросные мероприятия. Для этого необходимо определить, возможно ли в данных условиях восстановление выбросоопасности пласта.

Рисунок 13.57 – Номограмма для определения величин L'1, L'2 и L'3

6. Определяются параметры условного свода обрушения пород L^'₁ и L^'₂ вкрест простирания и L^'₃ по простиранию, которые находятся по номограмме (рис. 13 .57). Физический смысл влияния параметров свода обрушения на возможность восстановления выбросоопасности состоит в том, что при некоторой ширине выработанного пространства высота свода обрушения превышает критическую высоту H_крит, приводящую к восстановлению опасных напряжений в пласте.

7. Рассчитываются истинные параметры свода обрушения:

L1 = 1L'1;	(13.0)
L2 = 1L'2;	(13.0)
L3 = 1L'3,	(13.0)

8. Производится сравнение параметров свода обрушения с шириной выработанного пространства на защитном пласте. Если a < L₁+ L₂, то высота свода обрушения будет меньше критической высоты H_крит. При этом не произойдет восстановление напряженного состояния пласта и выбросоопасность его не восстанавливается. Следовательно, размер защищенной зоны по простиранию не ограничивается.

Если же a  L₁ + L₂, то высота свода обрушения пород будет выше или равна критической, при которой восстанавливаются опасные напряжение, а следовательно, и повторная выбросоопасность. Чтобы не допускать этого, надо ограничить величину опережения защитного пласта относительно выбросоопасного.

9. Определяются границы зоны защиты по простиранию при a  L₁ + L₂ (рис. 13 .58).

Рисунок 13.58 – Схема построения защищенной зоны по простиранию пласта для случая, когда a ≥ L1 + L2

При этом максимально допустимое опережение защитного пласта (или, что одно и то же, отставание опасного пласта относительно защитного) определяется по формуле:

при подработке	b1 = L3 + h1 ctg 3;	(13.0)
при надработке	b2 = L3 – 0,3 h2,	(13.0)

где ₃ – угол давления пород; определяется по табл. 13 .2.

10. Производится построение зон повторной выбросоопасности на опасном пласте (рис. 13 .59) для случая, когда имеет место значительное опережение в разработке защитного пласта, превышающее b₁ и b₂.

Как видно из рис. 13 .59, в ранее защищенной зоне пласта выделяются три зоны различной степени защищенности — защищенная зона, в которой сохраняется защитное действие; зона восстановления опасных нагрузок, в которой могут происходить горные удары, внезапные обрушения и высыпания угля и другие динамические явления негазового характера, и зона, в которой могут происходить внезапные выбросы.

Рисунок 13.59 – Схема построения зон повторной выбросоопасности при выемке лавами по простиранию:

а – вкрест простирания; б – по простиранию

1 – защищенная зона; 2 – зона, опасная по внезапным обрушениям и высыпаниям угля и по горным ударам; 3 – зона, опасная по внезапным выбросам

Схема построения границ зоны защиты при выемке лавами по падению приведена на рис. 13 .60.

	Рисунок 13.60 – Схема построения защищенной зоны при выемке лавами по падению: а – в сечении по простиранию при b<2L3; б – то же при b2L3; в – в сечении вкрест простирания пласта 1 – защищенная зона; 2 – зона, опасная по внезапным обрушениям и высыпаниям угля и по горным ударам; 3 – зона, опасная по внезапным выбросам

При построении зон защиты на пластах с выемкой лавами по восстанию схемы а и б (рис. 13 .60) остаются такими же, а в схеме в угол ₄ заменяется углом ₃, угол ₁ углом ₂, а размер L₁ размером L₂.