Внезапный выброс

Схема внезапного выброса угля и газа из забоя в подготовительную выработкуВНЕЗАПНЫЙ ВЫБРОС (а. sudden outburst; н. plotzlicher Ausbruch; ф. degagement instantane; и. desprendimiento instantaneo, irrupcion instantanea) — самопроизвольный выброс газа, твёрдого полезного ископаемого (уголь, соль) или вмещающей породы в подземную горную выработку из забоя или призабойной зоны массива; продолжительность внезапного выброса — до нескольких секунд.

Первый внезапный выброс (угля и газа) зарегистрирован в 1834 во Франции на шахте "Исаак" бассейны Луара, затем в Бельгии в 1847, к концу 19 в. отмечались в бассейнах Pypa, Нижней Силезии, Южного Уэльса, а также в Венгрии и Канаде. На территории CCCP первый внезапный выброс угля и газа отмечен в 1906 на шахте "Новая Смолянка" (Донбасс; пласт "Смоляниновский", глубина 711 м), первый внезапный выброс породы — в 1955 на шахте № 1-5 "Кочегарка" (Донбасс) при проходке главного квершлага на горизонте 750 м. С увеличением глубины разработки возрастают частота и сила внезапного выброса, которые происходят часто через несколько минут после прекращения работ в забое горной выработки (в случае взрывной отбойки запаздывание после взрыва — несколько секунд, реже — несколько десятков минут). В процессе внезапного выброса в пласте полезных ископаемых или в массиве горных пород образуется полость обычно грушевидной (рис.) или кавернообразной (иногда более сложной) формы объёмом до несколько тысяч м (например, при проходке тоннеля Арпа — Севан свыше 2500 м3); между полостью выброса в угольном пласте и плоскостью забоя иногда остаётся целик толщиной 2-4 м. Горная выработка заполняется раздробленной массой полезных ископаемых или породы, природным газом. При этом часто происходит разрушение призабойной крепи, шахтного оборудования.

Предвестники внезапного выброса: значительное повышение акустической или сейсмоакустической активности массива; задержка отжима пласта и сближения боковых пород впереди движущегося забоя; шелушение и "стреляние" пород на поверхности выработки; увеличение интенсивности начального газовыделения и выхода штыба при бурении шпуров, деление выбуриваемых кернов на диски выпукло-вогнутой формы.

 Наибольшая часть выброшенной массы — частицы размером от нескольких мм до десятков мм; среди раздробленной массы встречаются отдельные крупные глыбы породы или полезные ископаемые. Для внезапного выброса в угольных пластах характерно также образование весьма тонкой угольной пыли, так называемой бешеной муки, которая покрывает основную массу выброшенного угля; для внезапного выброса в массиве горных пород частиц чешуйчатой, пластинчатой формы. 

Характеристика внезапного выброса — его интенсивность, измеряемая количеством выброшенных полезных ископаемых, породы. Зарегистрированы внезапные выбросы интенсивностью от нескольких десятков кг выброшенной массы полезных ископаемых или породы до нескольких тысяч т. Внезапные выбросы интенсивностью 5-50 т составляют около 70% случаев, внезапные выбросы весьма большой интенсивности (более 1 тысячи т выброшенной горной массы) происходят сравнительно редко.

Количество выделяемого в горную выработку природного газа (при приведении к нормальным атмосферным условиям) составляет несколько десятков м3 (из расчёта на 1 т выброшенной массы полезных ископаемых), при внезапном выбросе породы (количество газа оценивается по концентрации его в выработке) оно изменяется, как правило, от 2 до 6% (может достигать 50%). Внезапные выбросы происходят с участием метана и углекислого газа (CCCP), углекислого газа (Верхнесилезский каменноугольный бассейн, Польша), известно несколько случаев внезапного выброса с участием азота (Франция). Самый мощный в мире внезапный выброс — 14 тысяч т выброшенной массы угля и около 600 тысяч м3 газа метана (приведённый к нормальным атмосферным условиям) произошёл в 1968 в Донбассе на шахте им. Ю. А. Гагарина при вскрытии квершлагом крутого пласта "Мазурка" мощностью 1,3 м на глубине 750 м. Квершлаг засыпало углём на протяжении 650 м. При этом на естественном откосе выброшенного угля толщина слоя "бешеной муки" достигала 40-50 см.

Внезапный выброс угля и газа происходит в основном на глубине свыше 250 м. Подавляющее большинство внезапных выбросов — на пластах мощностью от 0,5 до 2,5 м, при этом, чем больше мощность угольного пласта, тем выше средняя интенсивность выброса. Породы, вмещающие пласты, представлены алевролитами, аргиллитами, песчанистыми и глинистыми сланцами, плотными и устойчивыми песчаниками, реже известняками. Внезапные выбросы часто связаны с геологическими нарушениями. Участки угольных пластов, к которым приурочены внезапные выбросы, в большинстве случаев отличаются пониженной прочностью (одной или несколько угольных пачек), перемятостью, отсутствием явно выраженного кливажа, развитием трещин тектонического происхождения, изменением мощности пласта. Породные прослойки, разделяющие пачки угля, часто состоят из перемятых, разлинзованных зеркалами скольжения аргиллитов или углистых аргиллитов и плотных неперемятых алевролитов. Наиболее часто внезапные выбросы происходят на пластах, представленных углями марок ПЖ, К, OC и Т; реже марок А, Г. Все угольные пласты, на которых регистрируются внезапные выбросы, имеют сравнительно высокую газоносность (10-30 м3/т). Основная масса газа находится в сорбированном состоянии. На пластах с установившимся давлением газа в загерметизированных контрольных скважинах менее 0,6 МПа (6 атмосфер) внезапные выбросы не отмечаются.

Внезапные выбросы породы и газа происходят в основном на глубине более 400 м (песчаников — более 700 м). Слои пород, как правило, не выдержаны по мощности, в них наблюдаются трещины тектонического происхождения, которые наряду с порами в зернистых породах заполнены газом. Прослеживается зональность внезапного выброса угля, породы и газа (часто фиксируются только на одном крыле шахты, свиты пластов и т.п.). Разработан комплекс мероприятий по прогнозу внезапного выброса (см. Выбросоопасность); различают виды прогноза: региональный (оценка опасности выброса по данным геологической разведки), локальный (определение опасности по данным обследования механических, фильтрационных, сорбционных, петрографических свойств, структуры полезных ископаемых и пласта в целом) и текущий (улавливание предупредительных признаков или предвестников внезапного выброса, в том числе сейсмоакустическими методами).

Основные мероприятия по обеспечению безопасной и эффективной разработки угольных пластов, опасных по внезапному выбросу: опережающая отработка защитных пластов; профилактическая обработка угольного массива путём дегазации и увлажнения нагнетанием воды в пласт; столбовая система разработки; щитовая, струговая и комбайновая узкозахватная выемка угля; комбайновое проведение подготовительных выработок; полное обрушение на пологих пластах и полная закладка на крутых; гидроотжим угля, гидровымывание опережающих полостей и щелей, бурение опережающих скважин, камуфлетное взрывание, образование разгрузочных щелей, применение опережающей крепи; использование в случае возникновения внезапного выброса групповых и индивидуальных средств защиты людей.

Существует несколько представлений о механизме внезапного выброса и причинах его проявления. Отличаются они в основном оценкой участия в внезапном выбросе газа, напряженно-деформированного состояния массива, а также физико-механических и физико-химических свойств полезных ископаемых или породы.

Сущность механизма внезапного выброса, в котором основное место в процессе разрушения и выброса разрушенной массы в горную выработку отводится газу, состоит в следующем. При быстром перемещении забоя или внезапно возникшей трещине на участке с весьма низкой проницаемостью угля или породы образуется большой перепад давления природного газа в очень тонком слое около свободной поверхности. Перепад давления разрушает этот слой и отбрасывает его в сторону выработанного пространства за счёт энергии расширяющегося газа. При этом давление газа у вновь образовавшейся свободной поверхности быстро падает, снова создаётся перепад давлений и т.д. Таким образом, свободная поверхность быстро перемещается в глубь массива и всё время поддерживается большой перепад давления, разрушающий один слой за другим. В другом представлении о внезапном выбросе процесс разрушения (дробления) угля или породы связывается только с напряжённым состоянием и несущей способностью массива около горной выработки, а процесс отброса частиц быстро разрушающегося массива — с энергией расширяющегося газа, сжатого при высоком давлении. При этом в случае разрушения угля и его отброса десорбция газа способствует образованию потока газо-угольной смеси в выработке.

Внезапный выброс угля и газа с конца 60-х гг. рассматривается также как процесс разрушения угля в результате взаимодействия высокого давления газа в порах и микротрещинах и весьма быстрой разгрузки пласта в призабойной зоне от горного давления. Исследование внезапного выброса — предмет горной геомеханики.