Прогноз и регистрация динамических проявлений горного давления

Физические процессы

Лекция 19.

4 часа.

ПРОГНОЗ И ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ОПАСНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ

ПРОЯВЛЕНИЙ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ.

Общие положения.

Меры прогноза и предупреждения горных ударов и внезапных выбросов в значительной степени базируются на одних и тех же принципах, поскольку эти явления близки по своей природе и определяются сочетанием повышенной напряженности массива горных пород и способностью накапливать и быстро выделять упругую энергию.

Отсюда основные направления в решении этих проблем заключаются:

n определение степени напряжённости массива пород и снижение её, т е. разгрузка соответствующих частей массива полезного ископаемого или пород от опасных напряжений;

n исследование свойств массива и изменение механических характеристик (в первую очередь, с целью повышения способности к пластическим деформациям).

Кроме того, при прогнозе и предупреждении внезапных выбросов, дополнительно исследуют газовый режим месторождений и производят дегазацию пластов, слоев и залежей.

Прогноз и регистрация динамических проявлений горного давления.

При разведке и разработке полезных ископаемых, строительстве подземных сооружений важное значение имеет прогноз динамических проявлений горного давления. Он позволяет правильно спроектировать объект, выбрать соответствующую систему разработки и способы проходки выработок, а также другие мероприятия, направленные на обеспечение безопасности и эффективности проведения горных работ.

Прогноз динамических проявлений предусматривает:

а) выявление удароопасных и выбросоопасных горных пород (в том числе залежей или пластов полезного ископаемого) и оценку глубин, начиная с которых данные породы становятся опасными;

б) определение участков возможного проявления динамических проявлений;

в) предсказание времени проявления динамических проявлений.

Другими словами, как и всякий прогноз, прогноз динамических проявлений горного давления предусматривает их предсказание в пространстве (пункты “а” и “б”) и во времени (пункт “в”).

Следует иметь в виду, что в условиях горного производства важно заранее предусмотреть в проекте требуемые меры, так как их реализация на действующем объекте часто затруднена и связана с дополнительными затратами и потерей времени.

В настоящее время на всех разведуемых и разрабатываемых месторождениях, проектируемых и строящихся рудниках, шахтах, тоннелях и других подземных сооружениях в обязательном порядке выполняются работы по выявлению возможности возникновения горных ударов и выбросов.

По результатам этих работ месторождения или их части подразделяются на:

* неопасные,

* склонные,

* опасные по горным ударам и выбросам.

На всех месторождениях, склонных и опасных по динамическим проявлениям, должна быть проведена экспертиза промышленной безопасности проектной документации на строительство, расширение, реконструкцию, техническое перевооружение, консервацию и ликвидацию предприятий (организаций), отрабатывающих эти месторождения, и должны выполняться требования Федерального закона “О промышленной безопасности опасных производственных объектов” от 21.07.97 № 116-ФЗ.

В частности, к месторождениям, склонным к горным ударам, относят месторождения (объекты строительства подземных сооружений) и массивы горных пород или их части, в пределах которых имеются

* породы и руды с высокими упругими свойствами, способные к хрупкому разрушению под нагрузкой,

* месторождения (объекты строительства подземных сооружений) или их части, где имело место стреляние пород, интенсивное заколообразование, происходили толчки или горные удары на соседнем руднике (шахте) в пределах того же рудного тела и в аналогичных геологических условиях.

Заключение об отнесении месторождения, массива пород к склонным по горным ударам дает Всесоюзный научно-исследовательский институт геомеханики и маркшейдерского дела (ВНИМИ, г. С-Петербург)или научно-исследовательская организация, имеющая лицензию Госгортехнадзора России и выполняющая работы по проблеме горных ударов на данном месторождении, обязательно согласовывая заключение с ВНИМИи сообщая о нем в проектную организацию.

На основании этого заключения, а также при появлении внешних признаков удароопасности пород (руд) руководитель предприятия совместно с территориальным органом Госгортехнадзора России обязан издать приказ об отнесении месторождения к склонным по горным ударам и о создании постоянно действующей Комиссии по горным ударам.

К опасным по горным ударам относят месторождения (объекты строительства подземных сооружений), на которых

* уже имели место микроудары и горные удары,

* если прогнозом при определении степени удароопасности массива горных пород локальными инструментальными методами выявлена категория “Опасно” (удароопасная).

На каждом предприятии, ведущем подземные горные работы на месторождениях (объектах строительства подземных сооружений), склонных и опасных по горным ударам, должна быть организована специальная служба прогноза и предотвращения горных ударов (СППГУ), работающая под научно-методическим руководством института, ведущего исследования горных ударов на данном месторождении. Контроль за деятельностью службы СППГУ осуществляется главным инженером предприятия. В обязанности службы входит учет всех случаев горных ударов, микроударов и толчков, стреляний, интенсивного заколообразования и шелушения, результатов определения категорий удароопасности выработок, примененных мер по предотвращению динамических проявлений с оценкой их эффективности.

В особо сложных горно-геологических условиях (большая тектоническая нарушенность и глубина разработки, современные тектонические движения и высокая сейсмическая активность районов, гористый рельеф земной поверхности и другие осложняющие факторы и возможные предпосылки возникновения горно-тектонических ударов) необходимо предусматривать организацию непрерывного контроля состояния массива пород, в частности, путём создания сейсмостанций.

На рудниках Хибинских апатито-нефелиновых месторождений динамические проявления, в частности, горные удары, стали фиксировать с середины шестидесятых годов. В 1982 г. специалистами комбината “Апатит” и ряда научно-исследовательских и проектных институтов был разработан проект по извлечению запасов руды на одном из участков Кировского рудника, где было предусмотрено проведение специальных противоударных мероприятий. На основании этого проекта Комиссия по горным ударам для обеспечения безопасности проведения горных работ приняла решение о создании сейсмостанции ПО “Апатит”.

Первая очередь сейсмостанции была введена в опытную эксплуатацию в 1986 г. На первом этапе результаты сейсмостанции использовали в основном в качестве справочного материала для служб предупреждения горных ударов рудника, они позволяли оперативно уточнять параметры произошедших сейсмических событий. В дальнейшем разработанные методики позволили вырабатывать практические рекомендации, непосредственно определяющие безопасность проведения горных работ.

В апреле 1991 г. сейсмостанция стала самостоятельным цехом, и дальнейшая её история - это этапы постоянного расширения наблюдательных сетей, строительства и модернизации программно-аппаратных средств.

В настоящее время система представляет собой программно-аппаратный и методический комплекс, осуществляющий контроль за процессами разрушения горных пород на подземных рудниках ОАО “Апатит” путём непрерывной регистрации сейсмических проявлений горного давления, накопления и анализа полученной информации. Комплекс включает 30 сейсмопавильонов на трёх подземных рудниках, оснащённых современным импортным оборудованием, цифровую телеметрию для передачи данных, более 70 км кабельных трасс, высокопроизводительную компьютерную технику для обработки и вывода информации.

Из книги: Горное производство цветной металлургии Урала, Изд. Уральской государственной горно-геологической академии, Екатеринбург, 2004. – 666 с.

В настоящее время на шахтах СУБРа создана система сейсмического мониторинга шахтных полей.

Создание сейсмостанции на СУБРе начато в 1978 г., в марте начал действовать сейсмокуст в комбинате шахты № 15, который был оснащен сейсмологическим отечественным оборудованием, в принципе не предназначенным для подобных наблюдений, а потому не давшим надежных результатов. К концу года было сдано здание сейсмостанции, проложены кабельные линии связи на поверхности и в подземных горных выработках шахт № 15 и 14, построены сейсмопавильоны для аппаратуры и оборудования. В январе 1979 г. был полностью смонтирован комплекс импортной техники (американской фирмы Sprengnether). С мая начали вести каталог сейсмических событий, связанных с действием горного давления, включающий в себя сведения о времени, месте и сейсмической энергии событий. В настоящее время он насчитывает более 25 тысяч событий с сейсмической энергией от десятков до 10⁹ Дж, что во взрывном эквиваленте соответствует диапазону от килограмма до 250 т взрывчатого вещества. Наиболее сильные события классифицировались как местные землетрясения силой 3— 4 балла по шкале МSК-64.

К 1986 г. сейсмическая сеть достигла своего нынешнего состояния и включала в себя 24—28 точек, расположенных в подземных горных выработках и на поверхности, охватывая региональным прогнозом удароопасности поля шахт № 15, 14 и Кальинской.

К концу 1989 г. сейсмостанция полностью перешла на работу с ИВК Регион.

Новый этап технического развития сейсмического мониторинга начался в 1995 г. и связан с расширением возможностей компьютерных систем. Новый аппаратурно-программный комплекс Вагран создавался по техническому заданию, разработанному сотрудниками сейсмостанции, в содружестве с институтом информационных датчиков и технологий (г. Екатеринбург). Институт создавал аппаратурную часть и базовое программное обеспечение, а алгоритмы и программы регистрации и прикладного программного обеспечения разрабатывались на сейсмостанции. Все работы были проведены без остановок сейсмического мониторинга.

Сегодня сейсмическая сеть предприятия состоит из 28 точек регистрации, в том числе 6 поверхностных, расположенных в пределах шахтных полей шахт № 15, 14 и Кальинской. Это позволяет регистрировать сейсмические события, начиная с энергий, эквивалентных взрыву 1 кг ВВ, определить координаты гипоцентра с точностью не хуже ±25 м, вести региональный прогноз удароопасности на площади около 45 км² и контролировать сейсмичность месторождения СУБРа.

Дежурный персонал ведет круглосуточные наблюдения и не позднее получаса после того, как сейсмическое событие произошло, сообщает диспетчерам о времени, месте и энергии события. На основе регистрации дополнительно к месячным планам горных работ строят карты регионального прогноза удароопасности на планах шахтных полей масштаба 1:2000.

На планах выделяют области, опасные по возможному проявлению горных ударов, которые оконтуриваются изолиниями сейсмической активности со значением 1. В этих зонах горные работы ведутся без применения специальных мер предупреждения горных ударов. В зонах повышенной опасности, в пределах изолиний 15—20, обязательно ведение горных работ с использованием специальных мер и усиленного крепления выработок.

К началу 1980-х годов встал вопрос о переориентации научно-исследовательских работ с прогноза удароопасности на разработку мер предотвращения горных ударов, сделав упор на создание и совершенствование технологических схем подземных работ, повышающих безопасность горнорабочих. Разработаны концептуальные подходы к профилактике горных ударов.

Методы предупреждения горных ударов разделены на долговременные и временные (активные), технологические и специальные. Долговременные методы учитывают реально существующую опасность горных ударов уже на стадии разработки проектной документации на вскрытие, подготовку и отработку месторождений. В проектах предусматривается такой порядок вскрытия новых горизонтов, размещения основных вскрывающих выработок, такие схемы подготовки и очистной выемки, которые бы по возможности исключали проведение выработок в зонах высоких напряжений пород, в зонах влияния активных геологических нарушений, в зонах влияния опорного давления от очистных работ.

Среди активных следует выделить группу мер, в основу которых положено разрушение структуры горных пород, например, взрывными работами, водой, разгружающими скважинами. Суть этих мер заключается либо в придании горным породам механических свойств, отличных от их природных (руды и породы, принудительно разрушаясь в массиве, становятся менее склонными к накоплению упругой энергии), либо в создании защитных буферных зон вокруг выработок.

На СУБРе выполнены уникальные по масштабу и эффективности работы по гидроразрыву удароопасных горных пород в месте сочленения двух активных тектонических нарушений в поле шахты № 15—15 бис. Достаточно сказать, что в их реализации (от стадии проектирования до выполнения проектных решений) приняло участие около десяти научных и производственных организаций. Эффективность этой меры очевидна до сегодняшних дней — разгруженный от высоких напряжений участок является неопасным по горным ударам и запасы руды в нем успешно доработаны.

Не менее эффективны специальные меры — разгрузка стволов шахт Новокальинская и Черемуховская-Глубокая. Разработанные учеными институтов ВНИМИ и ВостНИГРИ и специалистами СППГУ СУБРа параметры разгрузочных скважин позволили снизить напряжения в породах, по которым велась проходка стволов, до неопасных уровней.

Разгрузка различными методами локальных участков в пределах полей всех шахт СУБРа в настоящее время достаточно эффективна.

По фактору удароопасности оценены все применяемые на шахтах СУБРа системы разработки и рекомендованы к использованию варианты систем, обеспечивающие наибольшую безопасность, предложены оптимальные по устойчивости формы поперечного сечения выработок с предварительной оценкой природного (естественного) поля напряжений. Постоянно ведется поиск оптимальных с точки зрения безопасности конструктивных параметров наиболее распространенной на шахтах СУБРа камерно-столбовой системы разработки, что позволяет применять ее на глубине, превышающей 900 м, и фактически закончены работы по геомеханическому обоснованию параметров системы для глубин более 1000 м, хотя в середине 1980-х годов критической по возможностям применения камерно-столбовой системы считалась глубина 800 м.

Обоснованы и внедрены способы управления горным давлением регулированием очередности выемки отдельных блоков и участков внутри блоков посредством использования двухъярусной схемы разработки.

Подобные специальные службы организуют и для прогноза внезапных выбросов пород и газа. Такие службы дают заключения об отнесении отдельных участков массива, пластов, слоев пород к различным категориям выбросоопасности, осуществляют текущий прогноз выбросоопасности, в пределах пластов или залежей, опасных в целом по выбросам, выделяют опасные и неопасные зоны, устанавливают степень эффективности различных профилактических мер, консультируют технический персонал горных предприятий по рекомендуемым профилактическим мерам.

С точки зрения прогнозирования динамических проявлений горного давления в пространстве выделяют региональный и локальный прогнозы ударо- и выбросоопасности.

Региональный прогноз базируется на связи между геологической характеристикой месторождения и свойствами пород, опасными с точки зрения горных ударов и проявлений внезапных выбросов. Основная цель регионального прогноза - выделение зон потенциальной опасности по горным ударам и выбросам и установление категорий состояния выработок в пределах шахтного поля, горизонта или отрабатываемого блока.

Данные регионального прогноза учитывают на стадии проектирования при составлении комплексных проектов развития горнодобычных районов, создании проектов новых шахт и рудников, проектов вскрытия и разработки новых горизонтов.

Региональные методы прогноза являются приближенными, поскольку они характеризуют состояние и свойства массивов пород по ограниченному количеству данных. Степень их достоверности находится в прямой зависимости от изученности рассматриваемых массивов. Эти данные проверяют и уточняют по мере вскрытия, подготовки и разработки месторождений с помощью методов локального прогноза.

Локальный прогноз предусматривает количественные определения деформационно-прочностных свойств пород, экспериментальные измерения действующих напряжений, определения давления газа в породах, пористости, газопроницаемости, влажности, сорбционной емкости и оценку изменений свойств и состояния конкретных участков по мере вскрытия участков шахтного поля, подготовки блоков к эксплуатации, проведении отдельных выработок.

В локальном прогнозе выбросоопасности из количественных характеристик определяют комплексные показатели, в той или иной степени, учитывающие основные факторы, с которыми связана потенциальная возможность выбросов.

На основании результатов локального прогноза удароопасности участки массива вокруг выработок разделяют на две категории: “Опасно” и “Неопасно”.

Категория “Опасно” соответствует напряженному состоянию массива в приконтурной части выработки, при котором существует вероятность горного удара. На таком участке запрещается ведение горных работ до выполнения профилактических мероприятий с целью приведения его в неудароопасное состояние. Запрещается передвижение людей, не связанных с проведением указанных мероприятий. Приведение в неудароопасное состояние должно осуществляться по проекту, утвержденному главным инженером предприятия.

В местах, где ранее была установлена категория “OПАCHO”, должен производиться периодический контроль удароопасности, он выполняется также в выработках при изменениях горно-геологической и горнотехнической обстановки или при появлении внешних признаков удароопасности.

Категория “Неопасно” соответствует неудароопасному состоянию и не требует проведения противоударных мероприятий. При этом сохраняется необходимость выполнения прогноза удароопасности.

Наибольшую сложность представляет третий вид прогноза - предсказание времени проявления горных ударов или внезапных выбросов.

Эти цели достигают при выполнении текущего прогноза состояния массива пород или выработок. Этот вид кратковременного прогноза основан на визуальном и инструментальном улавливании и регистрации предвестников горных ударов или внезапных выбросов, проявляющихся иногда за несколько минут или даже секунд до явления, на регистрации изменений напряженности пород и газодинамического режима в процессе ведения горных работ. Основной задачей текущего прогноза является оценка состояния конкретного участка массива или выработки и своевременное предупреждение о переходе участка их в опасное или, наоборот, в неопасное состояние.