Перспективы применения акустического контроля состояния массива горных пород и прогноза динамических явлений

W 622.831 О.В. Смирнов, А.И. Кулик

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД И ПРОГНОЗА ДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

Рассмотрены вопросы прогноза динамических явлений при ведении горных работ на шахтах, отрабатывающих склонные к горным ударам и внезапным выбросам угольные пласты, для достигнутых в настоящее время темпов ведения горных работ (подвигания подготовительных и очистных забоев). Рекомендуется для эффективного ведения горных работ на угольных пластах, склонных к динамическим явлениям, применять систему акустического контроля массива горных пород и прогноза динамических явлений. Ключевые слова: темпы горных работ, прогноз, динамические явления, контроль состояния массива, акустический сигнал.

Актуальность разработки и внедрения новых методов контроля состояния массива горных пород и прогноза динамических явлений состоит в том, что применяемые методы прогноза были разработаны более 30 лет назад. В настоящее время техническая оснащенность угольных шахт позволяет существенно повысить темпы проведения подготовительных выработок и ведения очистных работ. Так, например, для шахт ОАО «СУЭК— Кузбасс» имеется потенциальная возможность проводить подготовительные выработки с подвиганием забоя порядка 20 м в сутки (и более) и добывать до 1 000 000 т угля в месяц. Горные работы на шахтах ведутся по угольным пластам, отнесенным к угрожаемым по горным ударам, что требует применения прогноза этих явлений. Согласно требованиям действующей Инструкции по горным ударам [1] и проекта новых федеральных норм и правил «Инструкции по прогнозу динамических явлений и мониторингу массива горных пород при разработке угольных месторождений», прогноз горных ударов следует выполнять через каждые 75 м подвигания подготовительного забоя и через 25 м — очистного забоя, а также через каждые 2 м подвигания этих забоев в опасных зонах, к которым относятся зоны повышенного горного давления (далее — зоны ПГД), зоны влияния

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 5. С. 352-359. © 2017. О.В. Смирнов, А.И. Кулик.

геологических нарушений, участки, примыкающие к передовым выработкам.

Выполнена оценка влияния прогноза горных ударов по выходу буровой мелочи из скважин на ведение очистных и подготовительных работ при отработке угрожаемого по горным ударам угольных пластов.

На рис. 1 приведена схема прогноза горных ударов на выемочном участке при наличии зоны ПГД. Для прогноза ударо-опасности необходимо бурить по две скважины в верхней, центральной и нижней частях зоны ПГД через каждые 2 м подви-гания забоя.

Затраты на бурение скважин в верхней и нижней частях лавы через 25 м со штреков в расчет не принимаются, так как этот прогноз можно выполнить в ремонтную смену.

Для расчета влияния прогноза удароопасности на темпы ведения горных работ только в зонах ПГД приняты следующие условия: длина лавы — 300 м, вынимаемая мощность — 2 м, плотность горной массы — 1,3 т/м3, ширина полосы вынимаемого угля 0,8 м, количество угля с одной стружки — 624 т, количество скважин для прогноза в зоне ПГД — 6 штук, затраты времени на прогноз по одной скважине 20 мин, затраты времени на один цикл выемки угля 90 мин, на подготовительно заключительные операции 10 мин. Работа очистного забоя по добыче 20 ч в сутки.

Суточная добыча угля без учета затрат на прогноз при этих условиях порядка 7500 т/сут. (12 циклов в сутки).

Рис. 1. Схема прогноза горных ударов на выемочном участке при наличии зоны ПГД

Зона ПГД

- зона повышенного горного давления

С прогнозом горных ударов количество циклов выемки угля сокращается до 8, а добыча угля до 5000 т в сутки. Таким образом, применение прогноза удароопасности только в зонах ПГД (без учета необходимости выполнения прогноза в зонах геологических нарушений и передовых выработок) в 1,5 раза снижает объем добычи угля при мощности угольного пласта 2 м. В современных рыночных условиях такое снижение добычи равносильно закрытию предприятия.

На рис. 2 приведена планограмма ведения очистных работ без прогноза удароопасности и при его проведении в зоне ПГД.

Исходные данные для оценки влияния прогноза удароопасности в подготовительной выработке, проводимой в зоне ПГД: подвигание забоя за цикл 1,0 м, количество прогнозных шпуров в зоне ПГД — 6 штук, затраты времени на прогноз ударо-опасности по одной скважине 20 минут, затраты времени на выполнение одного полного цикла по проведению выработки 90 мин, продолжительность работы по проведению выработки 18 ч в сутки.

300 290 280 270 260 250 240 230 220 210 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Н

б)

300 290 280 270 260 250 240 230 220 210 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90

ШЕНяНШ

ппаново-предупредитепьныи ремонт

выемка угля комбайном

передвижка секций крепи

концевые операции

зачистка комбайновой дорожки

передвижка забойного конвейера, секций крепи.

проведение прогноза горных ударов

Рис. 2. Планограммы ведения очистных работ: без прогноза удароопасности

N Наименование работ I смена II смена III смена IV смена

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 22 24 1 2 3 4 5 6 7

1 Подготов.-заключ. операции

2 Наращивание ППС, вент, труб

3 Профилакт. ремонт оборудования

4 Обеспыливание,осланцовка Г п Г

5 Осмотр оборудования конвейеров 1

6 Выемка комбайном 1 -л 1 - 1

7 Зачистка выработки за комбайном - - I- \ I- \

8 Крепление забоя

9 Доставка крепея^ых материалов

N Наименование работ I смена II смена III смена IV смена

8 9 10 11 12 !13 14 И5 16 17 18 110 120 21 22 23 ¡24 1 1 2 3 4 с | 6 7

1 Подготов.-заключ. операции

2 Наращивание ППС, вент, труб

3 Профилакт. ремонт оборудования

4 Обеспыливание, осланцовка п Г Г п Г

5 Осмотр оборудования конвейеров 1

6 Выемка комбайном

7 Зачистка выработки за комбайном

8 Крепление забоя

9 Доставка крепежных материалов

10 Прогноз горных ударов —

Рис. 3. Планограмма проведения выработки: без выполнения прогноза горных ударов

Количество циклов по проведению выработки в сутки без проведения прогноза 12, подвигание забоя за сутки 12 м, с прогнозом горных ударов — 8 циклов за сутки и 8 м подвигания забоя.

На рис. 3 приведена планограмма ведения работ в подготовительной выработке без зоны ПГД и при проведении горной выработки в зоне ПГД с выполнением прогноза горных ударов по выходу штыба при бурении прогнозных шпуров.

Таким образом, анализ временного фактора при проведении горных выработок в зонах ПГД с выполнением нормативного метода прогноза показывает снижение скорости подвигания забоя в 1,5 раза.

За все время работы на шахтах АО «СУЭК» до настоящего времени не произошло ни одного горного удара, отсутствовали события, предшествующие горным ударам, тем ни менее прогноз удароопасности необходимо проводить.

Согласно действующей Инструкции по заключениям ВНИМИ допускается бурение скважин по более редкой сети. С выходом новых Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Инструкции по прогнозу динамических явлений и мониторингу массива горных пород при отработке угольных месторождений» такая возможность будет полностью исключена. Возникает вопрос, как работать шахтам, отрабатывающим пласты ниже границы угрожаемости по горным ударам и имеющим опасные зоны. Одним из выходов из создавшегося противоречия между возможными темпами подвигания забоя и ограниченными из-за необходимости прогноза динамических явлений, является применение системы автоматизированного акустического контроля состояния массива горных пород и прогноза динамических явлений (САКСМ) [2].

Контроль состояния массива горных пород и прогноз динамических явлений (далее — ДЯ) включает регистрацию искусственного акустического сигнала, возникающего при воздействии горного оборудования на массив горных пород, и передачу сигнала на поверхность, где осуществляется его обработка программными средствами. Применение системы не требует прерывания основных технологических процессов, позволяет в полной мере реализовать все достижения технического прогресса при ведении горных работ, в том числе, на опасных по горным ударам и внезапным выбросам угольных пластах.

Система САКСМ включает ряд методов прогноза выбросо-опасности и контроля эффективности мер предотвращения внезапных выбросов, которые разработаны и более 15 лет применяются на наиболее опасных по динамическим явлениям угольных шахтах Донбасса [3]. Горно-экспериментальные работы с применением алгоритма прогноза горных ударов и внезапных выбросов выполнены в бокситовых шахтах Северного Урала, в угольных шахтах Северного Кузбасса и Южного Кузбасса. Результаты экспериментов подтвердили эффективность разработанных методов в различных горно-геологических условиях для прогноза горных ударов и выбросов угля и газа.

Межотраслевой научно-технической лабораторией по разработке, изготовлению и внедрению автоматизированных систем в горной промышленности (МНТЛ РИВАС) для применения системы САКСМ разработана и изготовлена аппаратура регистрации и передачи акустического сигнала на поверхность АРАС и программа автоматизированной обработки и анализа акустического сигнала АКМП.

Система САКСМ позволяет:

• прогнозировать опасные по горным ударам и внезапным выбросам зоны при проведении горных выработок, ведении очистных работ;

• прогнозировать внезапные выдавливания угля и динамические разрушения пород почвы с интенсивным газовыделением в горные выработки;

• прогнозировать геологические нарушения впереди забоя;

• осуществлять контроль безопасности бурения разгрузочных скважин и оценивать их эффективность;

• осуществлять корректировку параметров и оценивать эффективность гидрорыхления угольного пласта в процессе его выполнения;

• контролировать состояние призабойной части массива горных пород.

Система ведет запись всех акустических сигналов, возникающих вблизи забоя, сохраняет ее в течение 72 ч и обеспечивает воспроизведение акустических сигналов с привязкой по времени с точностью 1 с. Запись может быть заархивирована для бессрочного хранения и использована при расследовании причин происшедших аварий или инцидентов.

Регистрация и обработка искусственного акустического сигнала выполняется в каждом цикле выемки угля, что обеспечивает непрерывный контроль массива горных пород и прогноз ДЯ по мере подвигания забоя. Непрерывный контроль массива горных пород обеспечивает высокую эффективность прогноза динамических явлений.

Для регистрации акустического сигнала в подготовительной выработке устанавливают один геофон аппаратуры АРАС, в очистном забое — по одному геофону в оконтуривающих выработках или вблизи них непосредственно в забое на элементах механизированной крепи. Передача сигнала осуществляется в аналоговом виде по свободной паре проводов в проложенном по горной выработке кабеле.

В результате обработки акустического сигнала программа АКМП выдает сообщение об ухудшении ситуации по фактору напряженности в призабойной части массива горных пород, о повышении горного давления, об опасной ситуации по каждому из контролируемых видов ДЯ и возможному расположению впереди забоя геологических нарушений. Сообщения об опасности ДЯ рассылаются ответственным руководителям угледобывающей организации.

Система САКСМ прошла приемочные испытания в очистных и подготовительных забоях шахты «Им. С.М. Кирова» ОАО «СУЭК—Кузбасс» [4], которая отрабатывает угрожаемые по горным ударам угольные пласты Поленовский и Болдырев-ский. Горные работы на угольном пласте Болдыревский ведутся на глубине до 450 м вблизи границы угрожаемости по выбро-соопасности. В задачу испытаний входило выявление участков повышенных напряжений в массиве горных пород, с которыми связано проявление горных ударов и выбросоопасности, и прогнозирование геологических нарушений.

Прогноз геологических нарушений выполнен в горных выработках угольных пластов Поленовский и Болдыревский [5]. Геологические нарушения представлены взбросами и сбросами с амплитудой смещения угольного пласта от 2 м до 20 м (Восточно Камышанский взброс) и флексурой на пласте Поленов-ский с изменением угла залегания угольного пласта до 30°.

Эффективность системы САКСМ для прогноза горных ударов определена по выявлению зон ПГД, которые обладают повышенной опасностью по проявлению горных ударов. Установлено, что зоны ПГД, в которых интенсивность напряжений в массиве горных пород не привела к горным ударам, сопровождаются увеличением прогностических параметров не менее чем в 1,5 раза, но значения этих параметров не превышают пороговый уровень, свидетельствующий о реальной опасности горного удара. Приемочная комиссия положительно оценила результаты испытаний и рекомендовала систему САКСМ к применению на шахтах России.

Система САКСМ по объему получаемой информации еще не исчерпала свои возможности, — с ее применением возможно решение других горно-геологических задач, в том числе прогноз внезапных обрушений пород кровли при проведении подготовительных выработок, оценку их устойчивости при выполнении анкерной крепи, прогноз посадки основной кровли в подготовительном забое и прогноз участков, склонных к загазированию горной выработки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам. РД 05-328-99.

2. Копылов К. Н., Смирнов О. В., Кулик А. И., Пальцев А. И. Автоматизированная система контроля состояния массива горных пород и прогноза динамических явлений // Безопасность труда в промышленности. - 2015. - № 8. - С. 32-37.

3. Брюханов А. М., Агафонов А. В., Рубинский А. А., Колчин Г. И. Методы и средства прогноза и предотвращения газодинамических явлений в угольных шахтах / Расследование и предотвращение аварий на угольных шахтах. Т. 3. — Донецк: Вебер, 2007. — 692 с.

4. Копылов К. Н., Смирнов О. В., Кулик А. И., Потапов П. В. Испытания автоматизированной системы акустического контроля // Уголь. — 2015. - № 7. - С. 44-48.

5. Смирнов О.В., Кулик А.И., Лапин Е. А. Прогноз геологических нарушений по параметрам акустического сигнала // Уголь. - 2015. -№ 11. - С. 76-79. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Смирнов Олег Владимирович1 - кандидат технических наук, начальник, e-mail: SmirnovOV@suek.ru, Кулик Алексей Иванович1 - главный технолог по ГДЯ, e-mail: KulikAI@suek.ru,

1 Управление аэрологической безопасности предприятий АО «СУЭК».

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 5, pp. 352-359.

UDC 622.831 O.V. Smirnov, A.I. Kulik

PROSPECTS FOR APPLICATION OF ACOUSTIC CONTROL OVER ROCK MASS STATE AND PREDICTION OF DYNAMIC EVENTS

In the article the questions forecasting of the dynamic phenomena in the conduct of mining operations on the mines working coal seams, inclined to mountain blows and sudden emissions, for achieved at present rates of mining works (the coalface and pre-slaughtering). It is recommended for the efficient conduct of mining operations on coal seams inclined to dynamic phenomena, to apply system of acoustic monitoring of the rock mass and forecasting of the dynamic phenomena.

Key words: the pace of mining operations, forecast, dynamic phenomena, monitoring of the condition of rock mass, acoustic signal.

AUTHORS

Smirnov O.V., Candidate of Technical Sciences,

Head of Aerologic Safety Department JSC «SUEK», 115054, Moscow, Russia, Kulik A.I., Chief Technologist on the Gasdynamic Phenomena Aerologic Safety Department JSC «SUEK», 115054, Moscow, Russia.

REFERENCES

1. Instruktsiya po bezopasnomu vedeniyu gornykh rabot na shakhtakh, razrabatyvay-ushchikh ugol'nye plasty, sklonnye k gornym udaram. RD 05-328-99 (Guidelines on safe rockburst-hazardous coal seam mining. RD 05-328-99).

2. Kopylov K. N., Smirnov O. V., Kulik A. I., Pal'tsev A. I. Bezopasnost' truda vpromy-shlennosti. 2015, no 8, pp. 32—37.

3. Bryukhanov A. M., Agafonov A. V., Rubinskiy A. A., Kolchin G. I. Rassledovanie i predotvrashchenie avariy na ugol'nykh shakhtakh. T. 3 (Investigation and prevention of accidents in coal mines, vol. 3), Donetsk, Veber, 2007, 692 p.

4. Kopylov K. N., Smirnov O. V., Kulik A. I., Potapov P. V. Ugol'. 2015, no 7, pp. 44-48.

5. Smirnov O. V., Kulik A. I., Lapin E. A. Ugol'. 2015, no 11, pp. 76-79.