ПРОГНОЗ И ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ОПАСНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЯВЛЕНИЙ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ
Лекция 19
1 час
ПРОГНОЗ И ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ОПАСНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ
ПРОЯВЛЕНИЙ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ.
19.1. 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:
определение степени напряжённости массива пород и снижение её, т е. разгрузка соответствующих частей массива полезного ископаемого или пород от опасных напряжений;
исследование свойств массива и изменение механических характеристик (в первую очередь, с целью повышении способности к пластическим деформациям).
Кроме того, при прогнозе и предупреждении внезапных выбросов, дополнительно исследуют газовый режим месторождений и производят дегазацию пластов, слоев и залежей.
19.2. 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 ВНИМИ и 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.
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.
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.
19.3. Методы прогноза удароопасности и выбросоопасности на различных стадиях освоения месторождений.
На стадии разведки месторождения или инженерно-геологических изысканий получают исходные данные для выполнения регионального прогноза удароопасности и выбросоопасности.
При этом способность горных пород к накоплению упругой энергии оцененивают посредством испытаний механических свойств пород с использованием буровых кернов геологоразведочных скважин.
В частности, для пород, потенциально склонных к горным ударам, зависимости «нагрузка—деформация» близки к прямолинейным, т. е. деформирование пород соответствует закону Гука в интервале нагружения образцов, практически, вплоть до их разрушения.
Детально исследуется структура массива пород, степень распространения и параметры тектонических нарушений, раздробленных и перемятых зон, пликативных нарушений, пережимов, раздувов и выклиниваний, а также изменение относительной мощности и механических характеристик отдельных пачек пород. Выявляются наличие в массиве прочных слоев или пластов пород, способных зависать над очистным пространством, создавая высокие концентрации напряжений вблизи забоя.
Изучаются коллекторские свойства массива, устанавливаются показатели газоносности, газонасыщенности пород, величины давлений в них газов. Внезапные выбросы в угольных пластах могут происходить при минимальном давлении газа 2—3 кгс/см2. Если давление газа достигает 10—15 кгс/см2, выбросы обычно сопровождаются заполнением выработок газом, в подготовительных выработках происходит уплотнение выброшенных пород.
Большое внимание уделяется анализу гидрогеологических условий. С увеличением содержания влаги в породе выбросоопасность снижается, поскольку, в первую очередь, возрастает способность породы к пластическим деформациям и снижается способность к хрупкому разрушению.
По результатам анализа керна геологоразведочных скважин делают первые выводы и о характере напряжённого состояния массива. В частности, разрушение керна на диски (дискование) или ориентированные разрушения контуров сечений скважин указывает на наличие повышенных напряжений позволяет судить о направлении их действия в массиве пород.
В тех случаях, когда разведку или инженерно-геологические изыскания ведут с проходкой не только скважин, но и горных выработок, следует выполнять измерения тензора напряжений в натурных условиях, а также определения свойств пород с учётом низких порядков структурных неоднородностей.
Оценка удароопасности пород на стадии разведки и изысканий носит обычно предварительный характер и уточняется на стадии строительства или эксплуатации объекта, при проходке выработок и ведении добычных работ для целей локального прогноза состояния конкретных участков массива.
При этом объективными признаками удароопасности и выбросоопасности, предвестниками горных ударов и выбросов являются:
интенсивное разделение породных кернов на диски (при керновом бурении опережающих прогнозных скважин);
изменение крупности штыба при бурении шпуров и скважин (в перенапряженных участках увеличивается до 10 раз и более с возрастанием крупности);
возрастание коэффициента использования шпуров до единицы и даже более;
увеличение дальности отброса от забоя и степени измельчения пород при взрывании;
изменение блеска угля;
образование облачка пыли у забоя;
похолодание воздуха у забоя;
усиление газовыделения;
появление чешуйчатости пород и отделение от забоя вкрест наслоению пород тонких породных пластин (толщиной от нескольких миллиметров до 1—2 см),
стреляния, толчки на буровой инструмент и зажатие штанг, слабые горные удары, сопутствующие производственным процессам (бурению и взрыванию шпуров и скважин, работе врубовых машин, комбайнов и т. п.).
Предвестником горных ударов и других динамических проявлений, причем наиболее изученным, является изменение сейсмоакустической активности массива, т е. изменение числа естественных сейсмоакустических (преимущественно звуковых) импульсов в массиве горных пород, связанных с микроразрушениями под влиянием возрастающих напряжений в соответствующих частях массива. На регистрации и анализе этих импульсов основаны сейсмоакустические методы прогноза горных ударов и выбросов.
Для регистрации и прогноза горных ударов применяют также сейсмические методы.
В случае горного удара сейсмические наблюдения позволяют определить координаты и глубину гипоцентра, т. е. очага горного удара, оценить количество сейсмической энергии, установить частотный спектр, длительность, амплитуду и другие параметры возникших сейсмических колебаний.
19.4. Способы предупреждения горных ударов и внезапных выбросов пород и газа
Выделяются региональные меры предупреждения горных ударов и внезапных выбросов, охватывающие обширные пространства добычных участков или пластов, и локальные меры, относящиеся к отдельным горным выработкам.
К региональным мерам относятся:
опережающая отработка защитных пластов (слоев, залежей);
предварительная дегазация массива скважинами;
профилактическое увлажнение или рыхление пласта впереди очистных выработок или на подготавливаемом горизонте.
Кроме этого, к профилактическим мероприятиям регионального масштаба можно отнести применение соответствующих технологических схем и приёмов ведения горных работ, при которых существенно снижается вероятность горных ударов и внезапных выбросов.
Локальными мерами являются:
бурение опережающих разгружающе-дегазирующих скважин из действующих выработок;
обработка опасного массива нагнетанием воды в пласт под давлением в режимах гидрорыхления, гидроотжима и гидроразрыва; гидровымыв полостей и щелей;
взрывное рыхление:
применение разгрузочных щелей и опережающей крепи.
19.5. Принципы ведения горных работ в условиях возможного проявления
горных ударов и внезапных выбросов.
В настоящее время при ведении горных работ в угрожаемых и опасных по горным ударам и внезапным выбросам месторождениях соблюдаются следующие общие принципы:
— нарезка месторождения на шахтные поля и их отработка без образования участков с большой концентрацией напряжений;
— исключение встречных и догоняющих фронтов очистных работ;
— уменьшение количества горных выработок впереди фронта очистных работ в отрабатываемых удароопасных пластах (залежах);
— сокращение камерных систем разработки;
— предупреждение зависания кровли над выработанным пространством.
Соблюдение этих принципов снижает вероятность динамических проявлений горного давления, но при этом накладывает определённые ограничения на применяемые системы и методы ведения горных работ.
Опасность динамических проявлений горного давления для людей, работающих в шахте, состоит:
в травмировании и засыпании их отбрасываемой и обрушающейся массой добываемого полезного ископаемого и вмещающих пород;
в травмировании разрушаемой крепью выработок при нахождении в непосредственной близости от места горного удара или внезапного выброса;
в травмировании под действием сильной воздушной волны при горных ударах;
в образовании взрывчатой газовоздушной смеси при внезапных выбросах;
в заполнении газом горных выработок вблизи места внезапного выброса и образовании бедной кислородом газовоздушной смеси;
в нарушении нормальных условий вентиляции рабочих мест вследствие их завала при горных ударах и внезапных выбросах.
В зависимости от масштаба горного удара или внезапного выброса опасность может угрожать людям, находящимся в непосредственной близости от забоя, находящимся в пределах всего добычного участка, либо даже находящимся под землей в пределах всей шахты или рудника.
Одной из основных мер защиты людей от горных ударов и выбросов является организация службы прогноза динамических проявлений горного давления и своевременное предупреждение людей о надвигающейся' опасности с переводом шахты на специальный режим ведения горных работ, исключающий присутствие людей в опасных местах.
Важное значение имеет тщательный инструктаж горнорабочих о визуальных признаках ударо- и выбросоопасности, предвестниках горных ударов и внезапных выбросов, мерах самоспасения, предусматриваемых планом ликвидации аварий.
Для возможной механической защиты работающих следует предусматривать специальные крепи, щиты, защитные козырьки и другие конструктивные меры, которые могут быть вполне достаточными и весьма эффективными, например, при стрелянии горных пород, толчках, микроударах и небольших выбросах.
В особо ударо- и выбросоопасных условиях необходимо предусматривать дистанционное управление горными машинами и механизмами и применение безлюдных способов ведения очистных работ и проходки выработок.
При отработке целиков буровзрывным способом присутствие людей во время взрывания и в течение 0.5 - 1 часа после него также не допускается. Люди должны находиться не ближе 200 м от места взрыва, как правило, в выработках, пройденных по породе.
При внезапных выбросах наиболее опасны условия в очистных выработках маломощных крутых пластов: работающие ниже участка выброса подвергаются опасности травмирования, работающие выше этого участка—опасности удушения газом. В таких условиях предусматривают запасные выходы через выработанное пространство по специальным ходкам, защищенным бутовыми полосами.
Противогазовая защита предусматривает специальные мероприятия по быстрому восстановлению нормальных условий вентиляции, подаче свежего воздуха в изолированные обрушением или выбросом участки и применение индивидуальных средств защиты — самоспасателей.
ПРОГНОЗ И ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ОПАСНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЯВЛЕНИЙ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ