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

Глубина работ Н, м	Значения S1?, м
	Наименьший размер а или в выработки в плане, м
	50	75	100	125	150	175	200	³250
300 400 500 600 800 1000 1200	70 58 50 45 33 27 24	100 85 75 67 54 41 37	125 112 100 90 73 57 50	148 134 120 109 90 71 63	172 155 142 126 103 88 80	190 170 154 138 117 100 92	205 182 164 146 127 114 104	220 194 174 155 135 122 113

Таблица 21.5 - Значения S₂^? для различных глубин разработки

Глубина работ Н, м	Значения S2?, м
	Наименьший размер а или в выработки в плане, м
	50	75	100	125	150	200	³250
300 400 500 600 800 1000 1200	56 40 29 24 21 18 16	67 50 39 34 29 25 23	76 58 49 43 36 32 30	83 66 56 50 41 36 32	87 71 62 55 45 41 37	90 74 66 59 49 44 40	92 76 68 61 50 45 41

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

Угол падения α, град.	Угол защиты, град				Угол давления, град.
	δ1	δ2	δ3	δ4	φ1	φ2	φ3
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90	80 77 73 69 65 70 72 72 73 75	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