Опережающая отработка защитных пластов

Защитным считается такой пласт (пропласток, слой породы), опережающая разработка которого обеспечивает полную безопасность в отношении внезапных выбросов на защищаемом пласте свиты или частичную разгрузку от горного давления, облегчающую выполнение других способов борьбы с внезапными выбросами регионального или локального характера. Защите подлежат угольные пласты, опасные и угрожаемые по внезапным выбросам угля и газа, пласты (слои) выбросоопасных песчаников, по которым проводятся горные выработки.

Механизм защитного действия заключается в том, что по мере отработки защитного пласта вслед за выемкой угля развиваются деформации упругого восстановления, упругого последействия и обратной ползучести вмещающих пород, сопровождающиеся расслоением (обрушением) пород кровли и приводящие к изменению напряженного состояния горного массива, в том числе находящихся в зоне влияния угольных пластов. Если разработка защитного пласта приведет к такому изменению напряженности находящегося в зоне влияния защищаемого выбросоопасного пласта, которое обеспечит рост газопроницаемости и, как следствие, эффективную дегазацию, выбросы угля и газа будут предотвращены.

Защитные могут быть не только угольные пласты, но и пропластки и породные слои. Если все пласты в свите потенциально выбросоопасные, то в качестве защитного принимается пласт наименее опасный и наиболее перспективный с точки зрения защиты, отрабатываемый как одиночный с применением необходимого комплекса противовыбросных мероприятий.

Отработку защитного пласта необходимо производить без оставления целиков и участков угольного массива в выработанном пространстве. В случае оставления целиков обязательным является нанесение их и зон ПГД от них на планы горных работ[1].

Пласты в свите могут разрабатываться в нисходящем, восходящем и смешанном порядках. Порядок разработки пластов в свите выбирают с таким расчетом, чтобы обеспечить эффективной защитой наибольшее число выбросоопасных и угрожаемых пластов.

Защита пластов в пределах всего этажа (полная защита) обеспечивается надработкой при условии, что защитный пласт отработан на вышележащем горизонте (рис. 21.3, а); двойной защитой (рис. 21.3, б); подработкой при условии, что защитный пласт отрабатывают о опережением на один этаж и более (рис. 21.3, в); восходящим порядком отработки этажей и пластов (рис. 21.3, г). В остальных случаях защита на всю высоту этажа не обеспечивается (рис. 21.3, д, е).

Рисунок 21.3 – Основные схемы использования защитных пластов: А – очистная выработка на защитном пласте; В – выработанное пространство на отработанных горизонтах; С – границы защиты; Г – отметка горизонта; а1 – незащищенный участок; 1, 2, 3, 4 –порядок отработки пластов и этажей

Участки а₁, характеризуются повышенной опасностью по внезапным выбросам, в особенности в ситуации, показанной на рис. 21.3, д. На крутых пластах запрещается ведение горных работ в незащищенной части этажа (частичной защиты) по схеме рисунка 21.3, д, кроме следующих случаев: выемку угля производят столбами по падению с помощью щитов агрегатов при полевой подготовке выемочных столбов; лава работает по безмагазинной схеме, запасные выходы на откаточный штрек оборудуют в выработанном пространстве, а выемка угля комбайном производят без присутствия людей в забое; выемку угля производят в пределах защищенной зоны через гезенки, проведенные с полевого откаточного штрека или откаточного штрека нижележащего пласта.

Изменения напряженного состояния горного массива, прослеживаются на более значительное расстояние над защитным пластом, чем под ним. Минимально допустимую мощность h_min междупластья при подработке, с точки зрения технологической возможности последующей разработки опасного по выбросам пласта, определяется по формулам

h_min ≥ К_г m cos α при α < 60^o;

h_min ≥ К_г m sin α/2 при α ≥ 60^o,

где m — мощность защитного пласта (слоя), м; a — угол падения, град; К_г — коэффициент, учитывающий геологические и горно-технические условия разработки защитного пласта (К_г = 4 при разработке защитного пласта с закладкой выработанного пространства; К_г = 6 при разработке тонких и средней мощности пластов с полным обрушением кровли; К_г = 8 при разработке мощного пласта щитовой системой с обрушением кровли при интенсивном перепуске пород с вышележащего горизонта; К_г = 10 при разработке мощного пласта длинными столбами по простиранию или щитовой системой с обрушением кровли при затрудненном перепуске пород с вышележащего горизонта).

Для построения границ защищенных зон, в соответствии со схемами, показанными на рисунках 21.4 и 21.5, необходимо располагать следующими исходными данными: Н – расстояние от дневной поверхности до нижней отметки очистной выработки защитного пласта, м; h₁ и h₂ – мощность пород междупластья над и под зщитным пластом; η – содержание песчаников в составе междупластья, %; а и в – размеры выработанного пространства на защитном пласте соответственно по падению и простиранию.

Рисунок 21.4 – Схема к построению защищенной зоны при отработке защитного пласта столбами по простиранию: I – сечение вкрест простиранию при а < L1 + L2; II – тоже при а > L1 + L2; III – сечение по простиранию; 1 – защитный пласт; 2 – защищаемый пласт; 3 – направление подвигания очистного забоя защитного пласта; «белый контур» — защищенная зона; «штрихованный контур» — область восстановления опасных нагрузок; — незащищенный участок

Влияние способа управления кровлей учитывается введением понятия эффективной мощности защитного пласта, при полном обрушении

m_эф = m, м,

а в случае применения закладки выработанного пространства

m_эф = К_з m, м,

где К_з — коэффициент, учитывающий компрессионные свойства закладочного материала (К_з = 0,2 при гидравлической закладке, К_з = 0,3 при других видах закладки).

Для пластов крутого падения принимают К_з = 0,35 — при гидрозакладке, К_з = 0,45 — при других видах закладки, К = 0,7 — при управлении кровлей удержанием на кострах, К_з = 1 — при управлении кровлей полным обрушением или плавным опусканием.

Размеры защищенной зоны в кровлю (над пластом) S₁ и в почву (под пластом) S₂ определяют по схемам рисунков 21.4 и 21.5.

Рисунок 21.5 – Схема к построению защищенной зоны при отработке защитного пласта столбами по падению: I – сечение по простиранию при в < 2L3; II – тоже при в > 2L3; III – сечение вкрест простиранию; 1 – защитный пласт; 2 – защищаемый пласт; 3 – направление подвигания очистного забоя защитного пласта; «белый контур» — защищенная зона; «штрихованный контур» — область восстановления опасных нагрузок; — незащищенный участок

Расчет производят по формулам

S₁ = β₁ β₂ S₁^? и S₂ = β₁ β₂ S₂^?, м,

где значения S₁^? и S₂^? берут из таблиц 21.4 и 21.5.

Таблица 21.4 — Значения S₁^? для различных глубин разработки

Таблица 21.5 — Значения S₂^? для различных глубин разработки

Коэффициент β₁, учитывающий значение m_эф, рассчитывается по формуле

где m_o — критическое значение мощности защитного пласта, определяемое по номограмме рисунка 21.6.

Рисунок 21.6 – Номограмма для определения критической мощности защитного пласта mо а – наименьший размер (а или в на рисунках 21.4 и 21.5) выработанного пространства выработки (если а>0,3H, то при определении mо принимается а = 0,3 Н, но не более 250 м)

Коэффициент β₂, учитывающий процентное содержание песчаников в составе пород междупластья определяется по формуле

Если для лав защитного пласта длиной больше 80 м в результате расчетов получено S₂ < 20 м, то следует принимать S₂ = 20 м.

Если h₁ < S₁ при подработке или h₂ < S₂ при надработке (см. рисунки 21.4 и 21.5), то необходимо завершить построение защищенной зоны со стороны границ выработанного пространства и выделить участки, характеризующие восстановлением опасных нагрузок. Для этого используются углы защиты δ_i (i = 1, 2, 3, 4) и углы давления φ_i (i = 1, 2, 3), значения которых в функции от угла падения α приведены таблице 21.6.

Таблица 21.6 — Значения углов защиты и давления для различных углов падения