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Möglichkeiten zur Verbesserung der aktuellen Gasausbruchsrisikoprognosen auf Grundlage neuer Erkenntnisse zu Kohle- und Gasausbruchsmechanismen

In diesem Artikel wird das Problem des Auftretens und der Entwicklung von Kohle- und Gasausbrüchen – dem induzierten geodynamischen Phänomen mit der höchsten Komplexität bzw. dem höchsten Gefährdungspotential im Kohlebergwerk – detailliert beleuchtet. Auf der Grundlage von theoretischen und experimentellen Forschungen wird gezeigt, dass dieses Phänomen in voller Stärke nur auftreten kann, wenn einerseits im Bereich des Strebs eine ausreichende Gesamtmenge potentieller Energie im Gebirge vorhanden ist und gleichzeitig die für die einzelnen Entwicklungsphasen dieses geodynamischen Phänomens erforderlichen Bedingungen gegeben sind. Die Hauptbedingung ist jedoch das Vorhandensein bzw. die Entwicklung von ausgeprägten Küften und Erweiterungen von Rissen, die quasi parallel zur freiliegenden Flözfläche verlaufen, sowie die Sättigung dieser Risse mit unter Druck stehendem, nicht gebundenem Gas im Streb.
Eine Neufassung des Ablaufs von Kohle- und Gasausbrüchen ermöglicht im Hinblick auf Kohle- und Gasausbrüche eine Verbesserung der kontinuierlichen Risikoprognose für den Grubenraum.

Autoren:
Prof. Dr.-Ing. Viktor Semenovich Zykov
«IC SB RAS»
10, Leningradskiy ave. Kemerovo, Russia 650065
zykovvs@icc.kemsc.ru.

Prof. Dr.-Ing. Hee Un Lee
JSC «SC VostNII»
3, Institutskaya st. Kemerovo, Russia 650002

Energiesättigung nicht verritzter Kohle vor Kohle- und Gasausbrüchen

Kohle- und Gasausbrüche folgen einer bestimmten Regel, der Energiebilanz im System umgebendes Gebirge – Kohle – Gas (1-4 e. a.). Die Energiebilanz ist die Summe aller zum Entstehen dieses Phänomens beitragenden Energieformen.

In umfangreichen Forschungen zu diesem geodynamischen Phänomen wurden die für dessen Eintritt kritischen sowie die sich im weiteren Fortschreiten ergebenden Elemente ermittelt. Die Energie dieser Elemente wurde in der Bilanzierungsgleichung festgehalten.

Nach der Energie-Theorie von V.  V. Khodot (1) muss zur Anregung und Entwicklung eines Ausbruchs als entscheidende und notwendige Voraussetzung die nachfolgende Ungleichung erfüllt sein:

W + E > F + U     (1)

wobei W die potentielle Energie der Kohle und E die kinetische Energie des Gebirges ist, F die Arbeit, die während des Ausbruchs benötigt wird, um die Kohle aus dem Flöz zu brechen und U die Arbeit, die benötigt wird, um die Kohle während des Ausbruchs zu zerkleinern.

Auf der linken Seite sind die für Eintritt und Entwicklung des Phänomens erforderlichen potentiellen Energieformen angegeben, während rechts die während des Ausbruchs stattfindenden Typen von Arbeit stehen, d. h. Formel (1) ist eine spezielle Anwendung des Energieerhaltungssatzes. Die für das Zustandekommen eines Ausbruchs erforderliche Energie wird in die Energie umgewandelt, die durch das Auftreten des Ausbruchs entsteht, und das bedeutet: Je größer der für den Eintritt des Phänomens notwendige Energieeinsatz, desto mehr Energie wird infolge des Ausbruchs freigesetzt. Unter den Merkmalen eines Ausbruchs kann man entweder seine generelle Eigenschaftsklasse betrachten oder mehrere, d. h. mechanische, thermische, akustische und sonstige Eigenschaften.

Es ist zu beachten, dass Ersteres zu stark verallgemeinert dargestellt ist. Man weiß, dass das hier betrachtete Phänomen in mehreren Phasen abläuft. Dabei müssen vor Eintritt jeder einzelnen Phase spezielle Voraussetzungen erfüllt sein.

Gas- und Kohleausbrüche können sich ereignen, wenn das Kohleflöz ausreichend tiefe tektonische Störungen des Kohlegefüges im Gewinnungsbereich aufweist und somit die Voraussetzungen für den Eintritt dieses Phänomens gegeben sind.

Fig. 1. Parameters of gasdynamic condition in coal massif of potential outburst hazard before coal pulling a - diagram of crack propagation in the massif, in the area of the mine opening influence; b, c, d, e, f - curves for stresses σ, gas pressure Pг, outburst active force Fa, outburst counterforce Fn and outburst safety index Ro in the mine opening influence area. // Bild 1: Parameter des gasdynamischen Zustands im Gebirge für das potentielle Ausbruchsrisiko vor Kohlegewinnung a - Diagramm des Risswachstums im Gebirge im Einflussbereich des Grubenraums; b, c, d, e, f – Belastungskurven σ, Gasdruck Pг, aktive Ausbruchskraft Fa, Ausbruchsgegenkraft Fn und Ausbruchssicherheitsindex Ro im Einflussbereich des Grubenraums.

Fig. 1. Parameters of gasdynamic condition in coal massif of potential outburst hazard before coal pulling a – diagram of crack propagation in the massif, in the area of the mine opening influence; b, c, d, e, f – curves for stresses σ, gas pressure Pг, outburst active force Fa, outburst counterforce Fn and outburst safety index Ro in the mine opening influence area. // Bild 1: Parameter des gasdynamischen Zustands im Gebirge für das potentielle Ausbruchsrisiko vor Kohlegewinnung a – Diagramm des Risswachstums im Gebirge im Einflussbereich des Grubenraums; b, c, d, e, f – Belastungskurven σ, Gasdruck Pг, aktive Ausbruchskraft Fa, Ausbruchsgegenkraft Fn und Ausbruchssicherheitsindex Ro im Einflussbereich des Grubenraums.

Für den zu Ausbrüchen neigenden Bereich des Flözes, der sich durch eine geringe Festigkeit des Kohlegefüges und einen hohen Gasgehalt auszeichnet, sind folgende Merkmale charakteristisch: quasi parallel zum Abbaustoß verlaufende Schlechten und Klüfte, eine signifikant hohe Menge freien Gases in den Rissen zwischen den Gebirgselementen sowie hohe Gasdrücke in den von der Gewinnung beeinflussten Gebirgsbereichen in der Nähe des offenen Grubenraums (Bild 1 a) (5, 6).

Bei einem Teil des betrachteten Gebirges handelt es sich um eine porös-fragmentierte Struktur mit elastischen bzw. plastischen Eigenschaften und Gebirgsstörungen. Im Innern einer solchen Textur sind lokale Verwerfungen dort zu finden, wo die aktive Kraft größer ist als die passive.

Natürlich läuft dieser Prozess der Rissbildung im gesamten, vom Abbau beeinflussten Bereich ständig ab. Zuerst entstehen Risse dort, wo das Gebirge in bedeutendem Umfang von Deckgebirge und Gasdruck befreit wurden, während der hohe Gasdruck im Unverritzten erhalten bleibt. Gleichzeitig kann ein solcher Riss aufgrund des Risswachstums und des sinkenden Gasdrucks im Riss selbst in gewissem Umfang durch die größere Kraft in einem benachbarten Riss wieder zusammengepresst werden. I.A. weiten sich Risse jedoch in dem Maße aus, wie das Gebirge aufgrund des Fortschreitens der Abbaufront im Grubenraum entlastet wird. In der unmittelbaren Nähe des Stoßes wird das Gebirge entgast und stark von Deckgebirgs- und Gasdruck befreit, wodurch die aktive Kraft hier nahe Null liegt. Aus diesem Grund ist der neben der Abbaufront liegende Bereich inert und dämpft die Wirkung der aktiven Kräfte, die in größerer Teufe auf einen Teil des betrachteten Gebirges einwirken.

Im Abbaufrontbereich dringt das Gas ständig in den Grubenraum ein, die Risse wachsen oszillierend, als Folge tritt eine Sorptionshysterese von Methan und Kohle ein (7). Aus diesem Grund bleibt in der anstehenden Kohle unmittelbar neben dem Kohlestoß ein hoher Gasdruckgradient im Abbaufrontbereich bestehen.

Als Ergebnis der andauernden Neuentstehung von quasi parallel zum Kohlestoß verlaufenden Rissen bildet sich im Hangenden ein Mehrschichtsystem mit zwischen den Schichten komprimiertem, ungebundenem Gas in den durch den Abbau gestörten Bändern. Der Gasdruckgradient nimmt dabei in Tiefenrichtung des Gebirges, also in Richtung unverritzten Gebirges, schnell zu.

Auf Grund der oben beschriebenen Prozesse befindet sich der Abbaufrontbereich des Gebirges dauernd in einem „lebenden“, dynamischen Zustand mit zunehmenden Kräften in den bereits entstandenen Risssystemen. Die kinetische Energie der Gebirgsverschiebung und die Methanabsorptionsenergie werden in der beeinflussten Schicht- bzw. Schichtstruktur im Gebirge in potentielle Energie umgewandelt. Der Begriff „potentiell ausbruchgefährdete Kohleschicht“ beschreibt eine solche Schicht (Schichtbündel) hervorragend.

Aus der Erfahrung des Abbaus von ausbruchgefährdeten Kohleflözen im Donbass-Revier sind Fälle bekannt, in denen das Einbringen von Pilotbohrungen mit 42 mm Durchmesser – einschließlich Probebohrungen zur Prognose der vorliegenden Ausbruchsrisiken – zum Ausbruch führte. Diese Fälle überraschten die Forscher, da solche Bohrlöcher in der Regel nur einen minimalen Einfluss auf die Oberfläche des Gebirges im Bereich der Bohrung haben. Zieht man die obigen Erwägungen zur Erklärung dieser Fälle heran, können folgende Schlussfolgerungen gezogen werden: Wenn die tektonisch angegriffene Textur der Abbaufront aufgrund von permanenten Gebirgsstörungen, quasi parallel zur Abbaufront verlaufenden Rissbildungen oder auf Grund von Methansorptionshysterese mit Energie gesättigt ist, erfolgt zu einem bestimmten Zeitpunkt eine qualitative Veränderung (oder ein Quantensprung), d. h. das Gebirge geht nun über in den Bedingungszustand „ausbruchsbereit“. Durch die Energieübersättigung ist es in gewisser Weise „übermäßig angespannt“, und selbst eine geringfügige Einwirkung, in diesem Fall die Einbringung einer kleinen Bohrung, kann eine Gegenreaktion in Form eines Kohle- und Gasausbruchs zur Folge haben. Es ist, als ob man eine Nadel in einen Ballon steckt, was unausweichlich dazu führt, dass der Ballon platzt. In diesem Fall kann ein Ausbruch nur verhindert werden, wenn schon frühzeitig und in ausreichender Entfernung ausbruchsverhindernde Maßnahmen im Bereich des Kohlestoßes vorgenommen werden.

Die im Nahbereich der Oberfläche des Gebirgskörpers (Ortsbrust/Strebfront) in der Vor-Ausbruchsphase stattfindenden Abläufe werden mit dem Begriff „Sättigung mit Ausbruchsenergie“ (5, 6) bezeichnet. Je höher die Gasbeaufschlagung, desto mehr Risse öffnen und füllen sich mit komprimiertem Gas und desto größer die Ausprägung aller einzelnen Phasen des Kohle- und Gasausbruchs im Falle eines tatsächlichen Eintritts des Ausbruchs.

Fig. 2. Parameters of gasdynamic condition in coal massif of potential outburst hazard when the face adjacent layer of coal is destroyed. // Bild 2. Parameter des gasdynamischen Zustands im kohleführenden Gebirge mit potentiellem Ausbruchsrisiko im Falle der Zerstörung der sich an die Abbaufront anschließenden kohleführenden Schicht.

Fig. 2. Parameters of gasdynamic condition in coal massif of potential outburst hazard when the face adjacent layer of coal is destroyed. // Bild 2. Parameter des gasdynamischen Zustands im kohleführenden Gebirge mit potentiellem Ausbruchsrisiko im Falle der Zerstörung der sich an die Abbaufront anschließenden kohleführenden Schicht.

Die Möglichkeit einer Zerstörung im Bereich des Kohlestoßes wird durch das Verhältnis von aktiven Kräften zu passiven Kräften in den einzelnen Rissformationen bestimmt. Dabei fällt der Maximalwert dieses Verhältnisses nicht notwendigerweise mit dem jeweiligen Höchstwert der aktiven Kräfte zusammen. Dieser Aspekt wird visuell in Bild 2 dargestellt. Dort werden die Reaktionstypen in den Bereichen I-IV in Abhängigkeit von deren Entfernung zum Kohlestoß x dargestellt; d. h. Parameter, die die gasdynamische Stabilität im Abbaufrontbereich des Flözes bestimmen: Gebirgsspannungen σ, Gasdruck im Flöz Рг, die Kraft , die aus von freiem Gas auf die Risswände erzeugtem und in Richtung Grubenraum verlaufendem Druck resultiert (Durchschnittswert des geschlossenen hydrodynamischen Risssystems), der Grenzwert der als Gegenkraft zur obigen Kraft wirkenden Kraft Fп, und das Verhältnis /Fп , in der Abbildung als angegeben. Wie in der Abbildung gezeigt, kann der Höchstwert von den Wert von in einem benachbarten, näher an der Abbaufront liegenden Bereich deutlich übersteigen. Der Grund dafür ist, dass der Gasdruck hier in Richtung Abbaufront um einen recht geringen Wert abnimmt, während die Oberfläche des quasi parallel zur Abbaufront verlaufenden Risssystems weiter zunimmt. Gleichzeitig kann die gegenläufige Grenzkraft wegen der stärker abnehmenden Belastungen in diesem Bereich um einen signifikant höheren Wert sinken, wodurch die Festigkeit der Kohle in Richtung Abbaufront abnimmt und die kohleführende Schicht dünner wird; hier kann das Verhältnis /Fп in dem Abschnitt größer sein, in dem die höchste aktive Kraft einwirkt.

Befindet sich die Abbaufront im sogenannten „ruhenden“ Zustand, d. h. keine physikalischen Kräfte wirken auf das Gebirge ein, ist ein schnelles Abplatzen von Kohle aufgrund der die passiven Kräfte übersteigenden aktiven Kräfte praktisch unmöglich, denn es wären bedeutende Energiemengen erforderlich, um neben der Abbaufront eine signifikante Menge entgaster Kohle zu bewegen. Gleichzeitig und wenn in der Entfernung х von der Abbaufront die aktive Kraft größer ist als die passive und eine auch nur geringe potentielle Energie entsteht, wird diese aufgrund der minimalen Verschiebung der Kohlemasse sofort in kinetische Energie umgewandelt. Dadurch wird der Überschuss der aktiven Kraft gegenüber der passiven Kraft unmittelbar geringfügig reduziert, weil die Rissgröße zu- und der Druck des flüchtigen Gases abnimmt. Außerdem nimmt die Gasdesorption in diese Risse zu, der Gasdruck wird wiederhergestellt und die aktive Kraft übersteigt wieder die passive Kraft. Danach findet jedoch eine weitere Verschiebung statt und die aktive Kraft sinkt wieder.

Anregungsbedingung für einen Kohle- und Gasausbruch

Der Beginn des Kohle- und Gasausbruchs wird während des Eindringens des Abbaumeißels in die anstehende Kohle durch Verwerfungen und Ablenkung im Bereich der Gewinnungsoberfläche eingeleitet. Zu diesem Zeitpunkt ändert sich der Gasbelastungszustand des Flözes dramatisch. Der oberflächennahe Bereich bewegt sich von Position 1 zu Position 2 (Bilder 1, 2).

Die Belastungen an der Flözoberfläche nehmen stark zu und lösen dort intensive Verwerfungen und Verspannungen aus, bis die Belastung auf den Wert gestiegen ist, den die teilweise verschlechterte Kohle tragen kann. Es ist bekannt, dass der Hauptanteil der Verwerfungen praktisch im Bruchteil einer Sekunde erfolgt. Die Belastungskurve wird dabei auf eine neue Position in der Flözfront verschoben. Der Gasdruck an der freien Oberfläche geht auf Null zurück, während sich die Gasdruckkurve im Strebstoß langsam verändert, da das Gas relativ langsam in Richtung Grubenraum abfließt. Innerhalb weniger Minuten nach Neupositionierung der Strebfront im Grubenraum wird ein sehr hoher Gasdruckgradient erzeugt. In der Nähe des Kohlestoßes nimmt die aktive Kraft schnell zu, während die passive Kraft im Gegensatz dazu dramatisch abnimmt, wie man im Vergleich der Bilder 1 und 2 sehen kann.

Die aktive Kraft im Flözstoß eines vor einem Ausbruch stehenden Gebirges ist signifikant höher als die passive Kraft. Im Gegensatz zur Vorphase kann die durch diesen Überschuss bedingte potentielle Energie ausreichen, um eine Kohlemasse über eine signifikante, in Metern messbare Distanz zu bewegen. Das führt zur Verlagerung einer V-Kohleschicht zwischen dem Kohlestoß und einem nahe gelegenen Risssystem – nennen wir es das „ausbruchauslösende Risssystem“ – bei dem das maximale Verhältnis von /Fп, , erreicht wird und der Kohle- und Gasausbruch eingeleitet wird.

Der Prozess der Bewegung und weitgehenden Verschlechterung des Kohlegefüges geht mit einem Anstieg der Gasdesorption durch Bildung neuer Gewinnungsoberflächen im energiegesättigten kohleführenden Gebirge und einem Anstieg der Hohlraumbildung im Gebirge einher. Zusammen bilden sie die Voraussetzungen für die folgenden Ausbruchphasen: schichtweise Ablösung von Kohle, Gasfragmentierung der Flözschichten und sich vom Gebirge lösende Stücke, Entstehung von Gas- und Kohleströmen in Richtung des Grubenraums.

Ein Ungleichgewicht (1) ist die notwendige Voraussetzung für die Überspannung und Entwicklung des Kohle- und Gasausbruchs. Ein vorhandenes Ungleichgewicht bedeutet jedoch noch nicht, dass dieses Phänomen notwendigerweise auch eintritt.

V. V. Khodot hat zwei weitere Bedingungen für den Ausbruchseintritt formuliert (1):

– Die Kohleverschlechterungsrate vр muss die Gasdruckabfallrate in den Kohlerissen vд übersteigen.

– Bis zu dem Moment, in dem die Verschlechterung beendet ist, muss der Gasdruck weiterhin höher sein als der Widerstand der verschlechterten Kohle gegen den Ausbruch.

Betrachten wir alle drei von V. V. Khodot für den Eintritt und die Entwicklung eines Kohle- und Gasausbruchs formulierten Voraussetzungen unter dem Aspekt einer möglichen Nutzung zur Einschätzung des Ausbruchsrisikos in der aktuellen Prognose.

Die Berechnungen gemäß Handbuch (7) haben gezeigt, dass normalerweise während des Abbaus stark gasführender Flöze (etwa mehr als 10 m3/t) in einer Teufe von 200 bis 300 m die angegebene Bedingung (1) erfüllt ist. Allein die Erfüllung von Bedingung (1) erlaubt es jedoch nicht, die Möglichkeit des Ausbruchs vorherzusagen, weil zwei weitere Bedingungen erfüllt sein müssen. Zumal die erste dieser Bedingungen eher symbolisch und in der Praxis nicht anwendbar ist, weil und physikalisch nicht vergleichbar sind.

Die zweite Bedingung wird von V. V. Khodot wie folgt ausgedrückt:

zykow_formel_1(2)

wobei Рг der Gasdruck an der gestörten Abbaufront; m die Masse der beeinflussten Kohle; S der Querschnitt des beeinflussten Kohleabbauorts; g die Zunahme des spezifischen Gewichts; f der Reibungsbeiwert für die Kohlebewegung entlang der Abrutschfläche; α der Neigungswinkel der Rutschfläche der Kohle; und v die erforderliche Beschleunigung zur Ablösung der Kohle sind.

Es ist allerdings festzustellen, dass die in Formel (2) enthaltenen Parameter mit Ausnahme von g und α im Voraus nicht bekannt sein können und daher das Eintreten des Ausbruchs nicht prognostiziert werden kann.

Daher erlauben es die von V. V. Khodot formulierten Bedingungen nicht, eine Einschätzung des Ausbruchsrisikos unter den speziellen Bedingungen des Abbaufortschritts und somit eine aktuelle Prognose des Ausbruchsrisikos vorzunehmen.

Außerdem ist die folgende Tatsache zu bedenken. Die Energiebedingung (1) gibt den Wert der potentiellen Energie an, die im Gebirge für eine Anregung und Entwicklung eines Kohle- und Gasausbruchs vorhanden sein muss. Beim Ausbruch handelt es sich aber um einen mehrstufigen Prozess. Bei der ersten Stufe handelt es sich um eine Vorphase. In dieser Phase wird das Gebirge im Bereich der Ausbruchseinflusszone, wie bereits oben dargestellt, mit Energie gesättigt. Die zweite Phase tritt ein, sobald die Energie im umgebenden Gebirge ausreicht, um den Gebirgsteil neben der Abbaufront zwischen dem ersten entwickelten Risssystem und der neuen Oberfläche zu bewegen. In der folgenden dritten Phase tritt eine schichtweise Ablösung der Kohle aus dem Gebirge ein, sobald das überlagernde Mehrschichtsystem mit quasi parallel zur Abbaufront verlaufenden Rissen eine ausreichende Energiesättigung aufweist. Die vierte Phase führt zu einem Bruch der Schichtstrossen und zur Ausbildung von Kohlestücken während der Ablösung der Kohleschichten aus dem Gebirge, sobald der Gasdruckgradient in diesen Schichten ausreichend hoch ist. Die fünfte Phase umfasst die Bildung von Gas- und Kohleströmen durch den Grubenraum, deren Intensität proportional zur kinetischen Energie der Ausbruchsprodukte ist, die sich durch den Grubenraum bewegen. Nur die letzte Phase dieses Phänomens erfordert keine zusätzliche Energie, denn es handelt sich um das Abklingen des Ausbruchs, da die Energie im aktiven Abbaufrontbereich des Gebirges erschöpft ist.

Wir wissen, dass unter ungefähr identischen Bedingungen Kohle- und Gasausbrüche entweder eintreten oder auch nicht eintreten können. Das lässt die Annahme zu, dass die Erfüllung von Bedingung (1) und der Eintritt eines Kohle- und Gasausbruchs recht deutlich voneinander getrennte Ereignisse sind. Diese Frage kann – wie bereits beschrieben – mit Hilfe des Energiesättigungsprozesses des Gebirges an der Abbaufront zum Zeitpunkt des Ausbruchs gut erklärt werden. Das Problem besteht darin, dass zur Entwicklung des Ausbruchs die unverritzte Kohle im Einflussbereich des Grubenraums nicht nur die erforderliche Energie enthalten muss, sondern dass auch in jeder Phase des Phänomens die Bedingungen für die Ausbruchsentwicklung erfüllt sein müssen.

Liegen derartige Bedingungen insgesamt nicht vor, tritt ein Ausbruch niemals ein. Es können ausschließlich vereinzelte Phasen der Energieanreicherung und die jeweiligen Eintrittsbedingungen in den entsprechenden Phasen beobachtet werden.

Verbesserungsmöglichkeiten der aktuellen Ausbruchsrisikoprognose

Zur aktuellen Ausbruchsrisikoprognose wäre es ausreichend, frühzeitig den möglichen Fortschritt eines Ausbruchs bis zur zweiten Phase festzustellen. Diese Phase kann entstehen, wenn ein System von intensiv entwickelten, quasi parallel zur Abbaufront verlaufenden und mit komprimiertem freiem Gas gefüllten Rissen bereits vorhanden ist. Ein derartiges System muss bereits ausreichend energiegesättigt sein, um zu einer Kohleabplatzung zu führen.

Neben den von V. V. Khodot ermittelten Bedingungen für die Ausbruchsanregung und -entwicklung gibt es weitere, in vielen Jahren der intensiven Forschung ermittelte Bedingungen. Drei davon fließen direkt in die Methodik der aktuellen Ausbruchsrisikoprognose eines Flözes ein.

Die erste Bedingung bezieht sich spezifisch auf die Textur des Kohleflözes im Bereich des Grubenraums. Kohle- und Gasausbrüche ereignen sich, wenn eine tektonische Störung der Kohletextur vorliegt. Gleichzeitig muss die maximale Normaldicke einer Schichtung oder eines Schichtpaketes mit dieser veränderten Textur mindestens den kritischen Wert erreichen. In den Kuzbass-Kohlegruben beträgt er 20 cm, und 10 cm im Pechora-Becken.

Bedingung 2: Die Festigkeit einer Schichtung oder eines Schichtpaketes in der tektonisch verformten Kohle q – wie vom Festigkeitsmessgerät P-1 (8-Patent) gemessen – darf den Wert 75 nicht übersteigen (in konventionellen Einheiten gemessen). Normalerweise handelt es sich um linsenförmige Strukturen mit einer erdigen und körnigen Textur. (7).

Bedingung 3: Die maximale anfängliche Ausgasungsrate aus den jeweils 1 m langen Abschlägen zwischen den Testbohrlöchern gH muss mindestens 4 l/min betragen.

Der Flözbereich sollte nur dann als ausbruchsanfällig betrachtet werden, wenn alle drei Bedingungen darauf schließen lassen.

Die aktuelle Ausbruchsrisikoprognose auf Grundlage der Flöztextur und die anfängliche Ausgasungsrate aus den Testbohrlöchern gemäß Angaben in bergtechnischen Vorschriften ermöglichen eine Ermittlung der Bereiche, in denen sich das Ausbruchsrisiko möglicherweise manifestieren könnte. Würden diese nach vorn in Richtung des Grubenraums mit Löchern hinterbohrt, würden die Strukturen intensiv Gas freisetzen. Dies würden Messgeräte für den Gasvolumenstrom entsprechend anzeigen. Je nach Gasvolumenstrom wird der Bereich als ausbruchgefährdet oder nicht gefährdet eingestuft. In den Prognosen werden jedoch die nicht gefährdeten Bereiche häufig als gefährdet eingestuft, da die Ausgasungsintensität nicht nur auf Grund einer schnellen Entwicklung von quasi parallel zur Abbaufront verlaufenden Rissen, sondern auch auf Grund von hoher Gaskonzentration und -durchlässigkeit des Gebirges gemessen wird. Im letzteren Fall baut sich aber kein signifikanter Druck durch freies Gas im Einflussbereich des Grubenraums auf und es drohen auch keine Ausbrüche. Aus diesem Grunde sind zusätzliche Parameter erforderlich, die eine Unterscheidung zwischen den beiden betrachteten Bereichstypen erlauben.

Ein aussagekräftiger Schritt zur Erhöhung der aktuellen Prognosegenauigkeit erfolgte durch die Entwicklung des Ausbruchsrisikofaktors, bei dem anstelle der gemessenen höchsten anfänglichen Ausgasungsrate in den Abständen zwischen den Prüfbohrlöchern der Gradient der korrigierten anfänglichen Ausgasungsrate entlang der Bohrlochlänge verwendet wurde (5, 6):

zykow_formel_2(3)

wobei с eine Konstante, min./l; mв die Mächtigkeit einer Schicht (eines Pakets benachbarter Schichten) mit Ausbruchspotential an den Bohrungsstellen, м; fв die von M. M. Protodyakonov entwickelte Härteskala der jeweiligen Schicht (eines Paketes benachbarter Schichten) an denselben Punkten und lg* die Entfernung bis zur Mitte des Bohrloches g*н.max, м sind.

Wird dieser Faktor eingesetzt, steigt die derzeitige Ausbruchs-prognosegenauigkeit etwa um das Doppelte, weil die praktisch ungefährdeten Bereiche herausfallen, die sonst in der Prognose als ausbruchgefährdet eingestuft werden würden. Eine weitere Erhöhung der Prognosegenauigkeit ist jedoch erforderlich, um die Kosten für übermäßige Schutzmaßnahmen gegen einen Ausbruch zu reduzieren.

Im Prozess der Ausbruchsrisikoschätzung der aktuellen Prognose ist es erforderlich, einige weitere Parameter zur Energiesättigung des Gebirges zu verwenden. Zunächst können hier die anhand der anfänglichen in den Bohrlochabständen gemessenen Ausgasungswerte in den Bereichen mit intensiver Rissbildung eingesetzt werden. Damit würde die Ermittlungsgenauigkeit bei den ausbruchgefährdeten Bereichen erhöht, weil hoher Gasdruck zusammen mit einem hohen anfänglichen Ausgasungsmaximum in vielen Fällen auf die Tatsache hinweist, dass ein bereits entwickeltes System von mit komprimiertem Gas gefüllten Rissen vorhanden ist.

Der Gasdruck im Flöz ist einer der Parameter für das Ausbruchsrisiko. Der Anfang der besonders interessanten zweiten Phase des Phänomens kann gemäß Ungleichung (6) wie folgt ausgedrückt werden:

zykow_formel_3(4)

wobei РX ein übermäßiger Gasdruck in der Entfernung Х von der Abbaufront; SX ein Querschnittsbereich des potentiell ausbruchsanfälligen Kohlestreifens; ПX die Außengrenze des Streifens; λX die Porosität des Kohlestreifens in der parallel zur Abbaufront verlaufenden Ebene in Entfernung X vom Kohlestoß; τπ Tangentialkurven der Belastung entlang der Außengrenze П des Streifens;   γ die Kohledichte im Streifen; α ein Neigungswinkel zwischen dem Grubenraum und dem Horizont und die X Entfernung zur Abbaufront sind.

Zur Messung des Gasdrucks setzt die betriebliche Methode auf die Vorausberechnung des Gasdrucks in der Messkammer, indem einerseits Wasser in diese Kammer (9) gepumpt wird und zum anderen entsprechende Spezialgeräte eingesetzt werden (10). Diese Verfahren verringern die zur Messung des Gasdrucks im Flöz erforderliche Zeit um den Faktor 2 auf 15 bis 30 Minuten.

Die aktuelle und so verbesserte Ausbruchsrisikoprognose eines Flözes erscheint recht kompliziert. Zunächst ist ein Kontakt mit der ausbruchsanfälligen Kohlestruktur während des Flözabbaus ein recht selten eintretendes Phänomen. Ist eine solche Struktur nicht vorhanden, wird der anstehende Flözbereich als nicht ausbruchgefährdet eingestuft. D. h., in diesen Bereichen reicht eine Überwachung der Flöztextur aus, um eine zukünftige Gefährdung auszuschließen. Eine solche Überwachung würde eine kontinuierliche Beobachtung des Flözes durch die Expertengruppe zur Minderung geodynamischer Phänomene sowie die Ermittlung der Festigkeit von Kohlestreifen im Abstand von jeweils 4 m erfordern. Dies würde im Arbeitsablauf der Grube nicht viel Zeit in Anspruch nehmen.

Trotzdem können mit Parallelmessungen der anfänglichen Ausgasungsrate und des Gasdrucks im Flöz die Bereiche mit hoher Gaskonzentration, mit nur ausreichender Gasdurchlässigkeit und ohne ein entwickeltes System spezieller Risse als ausbruchgefährdet klassifiziert werden. Zudem werden bei der beschriebenen Prognose des Ausbruchsrisikos die oben genannten speziellen energetischen Bedingungen des Bereichs mit intensiver Rissbildung nicht aufgezeichnet. Das Gebirge ist für den Ausbruch nur „scharf gestellt“, wenn dieses spezielle System von quasi parallel zur Abbaufront verlaufenden, sich ständig bewegenden und sich mit komprimiertem Gas füllenden Rissen vor dem Kohlestoß liegt.

Entsprechend sollten einige durchaus interessante Ergebnisse, die aus der Messung der Aktivität elektromagnetischer Störungen (EMI) Nср resultieren, die als durchschnittliche Anzahl der EMI-Impulse pro Minute im Gebirge in der Nähe der Abbaufront definiert sind, in die Betrachtung mit einbezogen werden. Die Ergebnisse derartiger Messungen haben gezeigt, dass die Aktivität elektromagnetischer Störungen zusammen mit dem Standardindikator gн.max und einem Höchstwert Cmax für den Methangehalt im Streb auf einen Übergang in den gefährdeten Bereich schließen lässt, wenn gн.max 6 ist. Gleichzeitig wurde der Höchstwert der EMI-Aktivität schon vor dem Höchstwert der anfänglichen Ausgasung erreicht, der mittels vor dem Kohlestoß eingebrachten Prüfbohrungen, d. h. 5 bis 6 m vor dem Messpunkt der EMI-Aktivität, gemessen wurde (Bild 3).

Fig. 3. Measurement of outburst hazard parameters as the outburst-prone area is approached and crossed // Bild 3. Messung der Ausbruchsrisikoparameter bei Vordringen in und Kreuzen des ausbruchgefährdeten Bereichs

Fig. 3. Measurement of outburst hazard parameters as the outburst-prone area is approached and crossed // Bild 3. Messung der Ausbruchsrisikoparameter bei Vordringen in und Kreuzen des ausbruchgefährdeten Bereichs

Unter Berücksichtigung der obigen Ausführungen lässt sich das Phänomen eines Ausbruchs durch die Tatsache erklären, dass schon vor dem Übergang in den ausbruchgefährdeten Bereich das Messinstrument EMI-Impulse empfangen würde, die durch den stark energiegesättigten Zustand des Gebirges mit quasi parallel zum bearbeiteten Kohlestoß verlaufenden Rissen, die zusätzlich mit freiem Gas gesättigt sind, ausgelöst werden. So kann registriert werden, dass dieser Bereich vor einem Ausbruch steht.

Während der Zunahme von Gebirgsstörungen sind elektromagnetische Störungen ein recht gut bekanntes Phänomen (11, 12 e. a.). Es tritt im Sättigungsprozess mit Ausbruchsenergie mehr oder weniger während der Rissöffnung und -erweiterung im Bereich des Kohlestoßes im Flöz auf.

Weitere Studien in diese Richtung sind angezeigt. Könnte diese Theorie bewiesen werden, wäre es möglich, viel bessere und genauere Verfahren zur Prognostizierung von Ausbruchsrisiken zu entwickeln.

References / Quellenverzeichnis

References / Quellenverzeichnis

(1) Khodot, V. V. (1961): Coal and gas outburst (Vnezapnie vibrosi uglia i gasa) – Moscow: Gosgortechizdat, 363p.

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(3) Bolshinskiy, M. I., Lysikov, B. A., Kapluchin, A. A. (2003): Gasdynamic phenomenons in coal mines (Gazodinamicheskie yavleniav shakhtakh).

(4) Petukhov, I. M., Linkov, A. M. (1983): Mechanic of bursting and emissions in coal mines (Mekhanika gornykh udarov i vibrosov) – Moscow:Nedra, 280p.

(5) Zykov, V. S. (2006): Industrial geodynamic. Teaching aid ( Tekhnogennaiy geodinamika. Uchebnoe posobie) – Kemerovo: Federal Educational Institution of Higher Prof. Education Kuzstu – 266p.

(6) Zykov, V. S. (2010): Coal and gas outburst and other gasdynamic phenomenons in coal mines (Vnezapnie vibrosi uglia i gasa i drugie gasodinamicheskie yavlenia v shakhtakh) – Kemerovo: OOO “Firma POLIGRAF” – 334p.

(7) Zykov, V. S., Feit, G. N., Zheltkov, I. V. and others (2002): Guidance on coal and gas outburst in working faces of coal mines. Vol. 2 cor. (Rukovodstvo po preduprezhdeniu vnezapnikh vibrosov uglia i gasa v ochistnikh zaboyakh ugolnikh shakht. 2 izd.ispr.) – Kemerovo: OAO NC Vostnii – 34p.

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(11) Kurleniya, M. V., Kulakov, G. I., Yakovitskaiya, G. E. (1991): Stging of destruction process on the basis of EMI radiation research (Stadiynost’ protsessa razrushenia na osnove issledovania EMI izluchenia)-FTPRPI. No. 1. – pp. 12 – 21.

(12) Yakovitskaiya, G. E. (2003): The forecast of dynamic developing process of massif in virtue of EMI radiation signal registration (Prognoz dinamicheskikh proyavleniy massiva gornikh porod ha osnovanii pegistratsii signalov elektromagnitnogo izluchenia) – Physical problems of rock failure. Collected papers of 3d International Scientific Conference, September 9-14 2002. – Novosibirsk: Nauka. pp. 98 – 103.

Autoren:
Prof. Dr.-Ing. Viktor Semenovich Zykov
«IC SB RAS»
10, Leningradskiy ave. Kemerovo, Russia 650065
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JSC «SC VostNII»
3, Institutskaya st. Kemerovo, Russia 650002

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