VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

При подземной разработке месторождений полезных ископаемых могут происходить динамические формы проявления горного давления в виде внезапного разрушения участков массива пород, находящихся в сложном напряженно-деформированном состоянии. В практике горного дела все динамические явления разделяют на горные удары и внезапные выбросы газа и пыли.

Горные удары обладают значительной разрушительной силой и, как правило, носят характер крупных аварий, резко нарушающих нормальную деятельность предприятия. Горный удар возникает внезапно, сопровождается резким звуком, сотрясением горного массива, образованием большого количества пыли и воздушной волной. На газоносных угольных пластах удар приводит к повышенному газовыделению, а на крутых пластах может вызвать обрушение или высыпание угля.

Горным ударом считается мгновенное хрупкое разрушение угольного (рудного) целика, краевой части пласта (массива) или боковых пород, находящихся в предельно напряженном состоянии, проявляющееся в виде отброса или выдавливания угля (породы) в горные выработки и приводящее к повреждению горной крепи, смещению машин, оборудования и нарушению технологического процесса.

При сильных горных ударах в подземных горных выработках отмечалось сотрясение земной поверхности на расстоянии нескольких сот километров от эпицентра динамического явления. [1]

Внезапные выбросы горных пород и газа - это газодинамическое явление, в котором участвуют упругие силы предельно-напряженных горных пород, сжатого газа и сила тяжести.

Внезапный выброс (выдавливание) угля и газа или выброс породы и газа представляет собой опасное и сложное газодинамическое явление, возникающее в газоносных угольных пластах и породах и характеризующееся быстроразвивающимся разрушением массива с отбросом (смещением) горной массы и выделением газа в горную выработку.

Развитие выброса происходит внешне в форме лавинообразного смещения, дробления горных пород (угля, соли, песчаника, руд) и выноса раздробленной массы выделяющимся газом (СН2, СО2, N2, Н2) в атмосферу горных выработок. Это явление сопровождается сильными звуковыми колебаниями.

Происшедший выброс характеризуется отбросом пород за пределы угла естественного откоса, тонким измельчением отброшенной горной массы и измельчением угля до тончайшей пыли ("бешеной муки"), повышенным по сравнению с обычным газовыделением, снижением температуры, образованием характерной полости, а для пород - увеличением площади поперечного сечения выработки, превышающим паспортные размеры. [2]

Проблема горных ударов и внезапных выбросов газа и пыли остро ощущается в разных районах мира и при разработке угольных месторождений. Опасные по горным ударам пласты угля разрабатывают шахты бассейнов Рура в ФРГ, Фюво во Франции, Верхней Силезии в ПНР, Южного Стаффордшира в Англии, Кемберленда в США, Кладно в Чехии, а также ряд шахт Германии, России, Канады, Австрии и других стран. [1]

Необходимость решения проблемы динамических явлений особенно остро встала в последние 20 лет, в связи с существенным возрастанием глубины разработки месторождений полезных ископаемых, а также необходимость разработки месторождений со сложными горно-геологическими условиями. Многолетняя история освоения таких месторождений наполнена многочисленными несчастными случаями на ряде рудников и шахт, вплоть до временного и или полного прекращения их деятельности.

Решением данной проблемы в России занимаются еще с 1950-х годов, проводятся комплексные шахтные, лабораторные и аналитические исследования, а также обширные горно-экспериментальные работы, которые позволили разработать теорию горных ударов и обширный комплекс мер по их предотвращению на шахтах. Основными результатами проделанной работы являются различные способы прогноза и предотвращения динамических явлений.

Борьба с горными ударами и выбросами осуществляется в направле­нии снижения напряженного состояния приконтурного массива путем управления горным давлением и изменения свойств горных пород и пере­вода их в потенциально неудароопасное состояние. При этом можно выде­лить следующие основные методы [2]:

1) Технологические.

2) Камуфлетное взрывание

3) Увлажнение горных пород

4) Бурение разгрузочных скважин

5) Использование поверхностно-активных веществ

Технологические методы состоят в выборе таких параметров разра­ботки месторождений, которые в максимальной степени нейтрализуют опасные последствия горного давления. К ним можно отнести: примене­ние специальных систем и порядка разработки, не допускающих значи­тельную концентрацию напряжений; максимально возможное уменьшение площади обнажений горных пород; учет тектонических нарушений и зон опорного давления соседних выработок; использование специальных форм сечения выработок и др.

Примером может служить способ разгрузки месторождения и снижение его удароопасности, включающий геодинамическое районирование месторождения, выделение тектонически подвижных блоков, выявление их динамического взаимодействия, оценку среднего уровня главных напряжений в массиве горных пород и степени потенциальной удароопасности месторождения и проведение мероприятий по разгрузке [3]. Данный способ заключается в том, что с целью разгрузки месторождений с любой конфигурацией рудного тела и повышения эффективности снижения потенциальной удароопасности месторождения за счет необратимого снятия тектонических напряжений, действующих в субгоризонтальной плоскости, определяют величину сдвижения массива горных пород вместе с месторождением в сторону земной поверхности, обеспечивающую необратимую разгрузку массива от повышенных тектонических горизонтальных напряжений и перевод его в неудароопасное состояние, а в качестве мероприятий по разгрузке производят сдвижение массива путем бурения скважин под месторождение, размещения в них и взрывания зарядов взрывчатого вещества.

Основными недостатками данного метода являются его трудоемкость, а в выработках, опасных по взрыву газа и пыли, также к излишне интенсивному истечению газа и горячих продуктов взрыва, что повышает опасность вспышек метана или пыли, а также низкая эффективность разгрузки массива.

Также известен способ двух-стадийной проходки выработки[4]. Это способ проведения пластовых выработок на пластах, склонных к внезапным выбросам угля и газа Он заключается в том, что для предварительной разгрузки пласта от действия сил горного давления и дегазации его осуществляют проходку передовой выработки уменьшенного сечения по породам непосредственной кровли пласта. При этом проходку этой выработки осуществляют на всю проектную длину или на длину не менее 200 м. После проведения передовой выработки осуществляют проходку пластовой выработки проектного сечения со скоростью, не превышающей скорость перемещения передовой выработки по породе. Ограничение скорости проходки выработки проектного сечения увеличивает время разгрузки и дегазации пласта передовой выработкой.

Основным недостатком данного способа является то, что он не устраняет выбросоопасности по следующей причине: расположение передовой выработки относительно выбросоопасного пласта в пределах мощности непосредственной кровли не ограничивается (Н). При этом величина породной толщи между подошвой выработки и пластом будет равна 0. (Н-h) (h минимальная высота передовой выработки, определяемая согласно требованиям "Правил безопасности в угольных и сланцевых шахтах). Согласно 37 ПБ высота h равна 1,8 м. Мощность непосредственной кровли может достигать 6-8m (m мощность угольного пласта).

Известен способ предупреждения горных ударов на пологих удароопасных пластах[5]. При осуществлении способа изучают стратиграфический разрез и геологическое строение свиты пластов и вмещающих пород, включающие и разрабатываемый удароопасный пласт, определяют пространственную ориентацию эндогенных трещин в кровле защищаемого пласта. Технологическую схему выемки пласта и направление подвигания очистного забоя выбирают таким образом, чтобы эндогенные трещины в породах кровли падали в сторону выработанного пространства и угол встречи линии очистного забоя и линии простирания этой системы трещин составлял 20-40°. Повышается безопасность и эффективность отработки пластов.

Основным недостатком данного способа является возможность его применения только при определенных горно-геологических условиях, а также данный способ значительно усложняет схему выемки пласта.

Известен способ разработки удароопасных пластов с использованием нижележащего неудароопасного пласта [6]. Метод, заключающийся в том, что изучают стратиграфический разрез и геологическое строение свиты пластов и вмещающих пород, включающие и разрабатываемый удароопасный пласт, определяют нижележащий неудароопасный защитный пласт, который подлежит первоочередной отработке (расстояние между защитным и защищаемым пластами должно быть не менее трех вынимаемых мощностей последнего и не более 40-80 м в зависимости от физико-механических свойств и состава пород междупластья); выбирают технологическую схему опережающей отработки защитного пласта, обеспечивающую ударобезопасное ведение горных работ на защищаемом пласте.

Недостатками этого способа являются:

- обязательное наличие неудароопасного защитного пласта, расположенного ниже защищаемого на расстоянии не менее трех вынимаемых мощностей защитного пласта и не более 40-80 м в зависимости от физико-механических свойств и состава пород междупластья;

- обязательное опережение горных работ на защитном пласте (не менее чем на 1,5 выемочных столба по падению), что в современных условиях и при длинных выемочных столбах может привести к отставанию во времени развития очистных работ на защищаемом (возможно более производительном) пласте на 1-2 года;

- увеличение в 1,3-1,5 раза себестоимости добычи угля, т.к. защитный пласт может быть низкокачественным и залегать в сложных горно-геологических условиях;

- низкая надежность способа из-за высокой изменчивости горно-геологических условий (мощности пластов и междупластий, физико-механических свойств и состава горного массива и др.).

Камуфлетное взрывание представляет собой взрывание заряда внут­реннего действия без выброса породы. При этом в массиве образуется зона трещиноватости, параметры которой определяются конструкцией и вели­чиной камуфлетного заряда. Вследствие развития трещин значительно уменьшается прочность и упругость массива, что, в общем случае, благо­приятствует процессам разработки пород. Чаще всего камуфлетное взры­вание используется для снятия напряжений при борьбе с горными ударами и выбросами. В этом случае накопленная массивом упругая энергия расходуется на смыкание образовавшихся трещин, т.е. на необратимую пла­стическую деформацию, тем самым предотвращая последующий горный удар.

В качестве примера приведем способ предотвращения динамических явлений при разработке угольных пластов во вмещающие горные породы бурят скважины, через эти скважины нагнетают водосодержащее жидкое взрывчатое вещество (ВВ) на участки ослабленных контактов слоев вмещающих пород, а сами скважины заполняют загущенной взрывчатой смесью [7]. Разупрочнение горных пород производят путем взрыва водосодержащего ВВ, причем инициирование взрыва осуществляют неэлектрическим способом.

Недостатком этого метода является невозможность обеспечения в достаточной степени разгрузки вмещающих пород выработки и не полное устранение вероятности горных ударов, особенно на участках расположения слоя крепкой породы в непосредственной близости от почвы выработки.

Увлажнение горных пород путем предварительного нагнетания воды в удароопасный массив. Жидкость, проникая в трещины, оказывает рас­клинивающий эффект, способствуя их дальнейшему развитию. Однако пе­ренапряженный удароопасный массив, как правило, не имеет открытых трещин, и проникновение воды в него практически невозможно. В этом случае используют гидроразрыв пород по контактам пластов за счет очень высокого давления нагнетания. Применение данного метода возможно только в слоистом массиве, например, на контакте угольного пласта и вмещающих пород.

Ярким примером этого метода является способ борьбы с внезапными выбросами угля и газа и горными ударами, включающий бурение скважин и нагнетание в них жидкости[8]. Этот способ заключается в том, что в скважины нагнетают электропроводящую жидкость, а на всю глубину скважин устанавливают электроды-релаксаторы, при этом электропроводящую жидкость нагнетают до возникновения между соседними скважинами устойчивой электрической цепи, проводимость которой прекращает расти при дальнейшей подаче жидкости.

Основным недостатком данного способа является высокая трудоемкость, а также затраты значительных временных ресурсов, поскольку проведение данных мероприятий требует оценки эффективности согласно нормативным методам: для удароопасных пластов – методом ВНИМИ, для выбросоопасных – методом ВостНИИ, и при выявлении неэффективности способ необходимо повторять.

Бурение разгрузочных скважин[9]. Этот способ заключается в том, что из ярусных штреков, которые при ведении очистных работ впоследствии окажутся в зоне опорного давления, в краевые части выемочного столба и околоштрекового целика бурят специальные разгрузочные скважины диаметром 150-390 мм, длиной 5-15 м и расстоянием между ними 1,5-5,0 м.

Недостатками данного способа являются:

- необходимость бурения большого объема скважин впереди очистного забоя (до 5000-10000 м один забой);

- значительные затраты на его осуществление, увеличивающие себестоимость добычи 1 т угля на 20-30%;

- низкая эффективность способа (по данным Калинин С.И. Геомеханическое обеспечение эффективной выемки мощных пологих пластов с труднообрушаемой кровлей механизированными комплексами. / С.И.Калинин, В.М.Колмогоров. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2002. - 113 с.): из 20 горных ударов на пласте 7-7а шахты "Распадская", 12 произошли в выработках, где он применялся).

Использование поверхностно-активных веществ. Благодаря высо­кой проникающей способности молекул ПАВ увлажнение массива проис­ходит достаточно эффективно. При этом развитие трещиноватости и уве­личение общей нарушенности массива под действием ПАВ существенно (в 2-3 раза) активизирует процессы ползучести горных пород. В пересчете на процесс релаксации, т.е. процесс уменьшения напряжений во времени при постоянной деформации, это эквивалентно снижению напряжений в приконтурном массиве в 1,5-2 раза. При этом пик напряжений смещается вглубь массива и не может участвовать в формировании горных ударов или выбросов. Кроме того, изменяется само состояние горных пород. За счет увеличения их пластичности заметно снижается доля упругих деформаций и горная порода переходит в неудароопасное состояние.

Выше приведена только малая часть существующих способов предотвращения динамических явлений, но ежегодно повторяющиеся случаи аварий на шахтах в результате динамических явлений (Таблица 1) говорят о том, что проблема решена не полностью. Необходима разработка более технологичных и эффективных методов для безопасного ведения горных работ.

Таблица 1

Крупные аварии по причине динамических явлений на шахтах(2008-2013г.г.)

Дата несчастного случая	Название шахты	Причины несчастного случая	Количество погибших, чел.
8 июня 2008 года	имени Карла Маркса в г. Енакиево	внезапный выброс угля и газа и последующий за ним взрыв метана	13
16 июля 2011 года	«Северная» ОАО «Воркутауголь»	динамическое явление	2
27 июня 2012 года	«Зиминка» Прокопьевскуголь	самопроизвольное обрушение камеры с выделением вредных газов	3
5 января 2013 года	«Красногорская» г.Прокопьевск	произошло обрушение пород	3
7 января 2013	№7 ОАО «СУЭК-Кузбасс»	завал выработок	5

Выводы: Проблемы, связанные с динамическими явлениями в шахтах очень актуальны по сей день.

Возникновение горных ударов, их сила и характер проявления зависят от множества геологических и горнотехнических факторов, обусловленных конкретным сочетанием геодинамических процессов, происходящих в районе месторождения и ходом ведения горных работ.

Необходима разработка экономически и технически более выгодного способа предотвращения динамических явлений, который не связан непосредственно с ведением горных работ и не требует нахождения людей в опасных зонах.

Необходима разработка универсального способа, который может использоваться для борьбы как с внезапными выбросами угля и газа, так и с горными ударами на угольных пластах с различными марками угла. При этом приведение угольного пласта в неопасное состояние должно происходить до перехода краевой части пласта в предельно напряженное состояние и в любых горно-геологических условиях. Это обеспечит и безопасность ведения горных работ.

Автор выражает благодарность профессору А.Ф. Галкину за помощь при подготовке статьи.

Список литературы:

1. Прогноз и предотвращение горных ударпов на рудниках; И. М. Петухов, А.М. Ильина, К. Н. Трубецкой, Издательство АГН, 1997. 3-6 стр.

2. О. И. Чернов, Е. С. Розанцев, Предупреждение внезапных выбросов угля и газа в угольных шахтах, М., 1965. 7-12 стр.

3. а. с. №1266285 Способ разгрузки месторождения и снижения его удароопасности. Кл. Е21F5/00. /Опубл. 10.10.1996г. Бюл. № 6.

4. а. с. № 1024596 Способ проведения пластовых выработок на пластах, склонных к внезапным выбросам угля и газа. Кл. E 21 F 5/00; E 21 D 9/00. /Опубл. 16.07.1993г. Бюл. №8

5. а. с. №231299 Способ предупреждения горных ударов на пологих удароопасных пластах. Кл. E21F5/00. /Опубл. 20.12.2007г.

6. а. с. №1295005 Способ перевода удароопасного массива в неудароопасное состояние. Кл. E21F 5/00. /Опубл. 07.03.1987г. Бюл. №9

7. а. с.№ 1798523 Инструкция по выбору способа и параметров разупрочнения кровли на выемочных участках Кл. E21F 5/00. /Опубл. 28.02.1993г. Бюл. № М8

8. а. с. №2108463 Способ борьбы с внезапными выбросами угля и газа и горными ударами, включающий бурение скважин и нагнетание в них жидкости Кл. E21F 5/00. /Опубл. 10.04.1998г. Бюл. № 4

9. а. с. №1578364, Кл. E21F 5/00. /Опубл. 15.07.90, Бюл. № 26

Код для цитирования: Скопировать