Принципы построения и реализации многофункциональных систем безопасности в угольных шахтах по обеспечению контроля напряженно-деформированного состояния горного массива

В. М. Вернигор

канд. техн. наук, заместитель начальника ФАУ «Главгосэкспертиза России»

В. В. Соболев

д-р техн. наук, заместитель генерального директора ОАО «НЦ ВостНИИ»

УДК 622.514^ 622.807

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И РЕАЛИЗАЦИИ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СИСТЕМ БЕЗОПАСНОСТИ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ КОНТРОЛЯ

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНОГО МАССИВА

Предложены принципы создания многофункциональных систем безопасности в угольных шахтах. Показаны способы ведения текущего мониторинга напряженно-деформированного состояния (НДС) горного массива, оценки и прогноза различных видов опасности геодинамического и техногенного характера в угольных пластах. Описан алгоритм действий по предупреждению развития опасных событий с контролем эффективности выполненных профилактических мероприятий.

Ключевые слова: УГЛЕПОРОДНЫЙ МАССИВ, НАПРЯЖЕНИЯ, ОЦЕНКА НДС ШАХТНЫХ ПОЛЕЙ, ОПАСНЫЕ ЗОНЫ, МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СИСТЕМА БЕЗОПАСНОСТИ

Разработка угольных месторождений, как правило, ведется в сложных горно-геологических условиях. С глубиной горных работ увеличивается природная газоносность, растут напряжения в массиве горных пород. Этим продиктованы новые подходы к созданию многофункциональных систем безопасности на угольных шахтах [1, п. 41], которые должны обеспечивать предотвращение условий возникновения различных видов опасности геодинамического и техногенного характера. Объектом контроля, управления, оценки и прогноза являются состояние массива угля и горных пород.

Для реализации поставленных задач необходимо обеспечить геофизические и сейсмические наблюдения за состоянием горного массива с целью прогноза внезапных выбросов и горных ударов. В случае выявления опасных значений необходимо применить мероприятия по приведению опасных участков горного массива в безопасное состояние с контролем эффективности выполненных профилактических мероприятий [2, 3].

Современные угольные шахты оснащены высокопроизводительной горной техникой, для безопасной работы которой необходимо создавать условия, позволяющие достигать высоких

научно-технический журнал № 2-2013

9о вестник

нагрузок на очистные забои. Это обстоятельство предопределяет необходимость сокращения комплекса локальных мер прогноза и предупреждения динамических и газодинамических явлений, применяемых в очистных и проходческих забоях, в пользу более широкого комплекса региональных мероприятий. При формировании принципов построения и реализации многофункциональных систем по контролю за состоянием горного массива необходимо придерживаться комплексного подхода, который заключается в следующем.

Получение всесторонней и объективной оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) зоны горного массива угольного месторождения в целом и шахтных полей в частности возможно с помощью метода гео-динамического районирования, выполняемого специализированными научно-исследовательскими организациями, с построением блочной (геолого-структурной и горно-геодинамической) модели, с внесением тектонически напряженных зон (ТНЗ) и зон повышенных напряжений в гео-динамическую модель шахты и месторождения.

Геодинамическое районирование позволяет решить комплексно следующие связанные между собой задачи:

- установить наличие разновидностей вмещающих угля и пород, склонных к хрупкому разрушению под нагрузкой;

- на основании всех имеющихся данных выявить тектоническое строение и НДС массива, выделить ТНЗ и зоны повышенных напряжений, возникающие как при ведении горных работ, так и при их планировании согласно планам развития горных работ, принятым в соответствии с проектной документацией;

- построить блочную (геолого-структурную и горно-геодинамическую) модель с внесением ТНЗ и опасных зон в геодинамическую модель шахты и месторождения;

- нанести на планы горных работ шахты ТНЗ и зоны повышенных напряжений по результатам геодинамического районирования;

- нанести на планы горных работ шахты по результатам анализа горнотехнических условий все опасные зоны: у геологических нарушений, опорного давления от очистных забоев, зон повышенного горного давления под (над) целиками и краевыми частями угольных пластов (при отработке свиты угольных пластов) и др.;

- определить оптимальный порядок отработки шахтного поля и месторождения в целом.

Выявление ТНЗ и зон повышенных напряжений производится как для оценки состояния массива на момент проектирования горных работ, так и для различных этапов отработки месторождения или шахтного поля. Для принятия обоснованных технических решений на разных стадиях освоения месторождения геодинамическую модель месторождения необходимо постоянно пополнять новой информацией, начиная со вскрытия и заканчивая отработкой всех запасов.

Полученная в результате мониторинговых наблюдений информация необходима для пополнения и уточнения горно-геодинамической модели как основы для локального и регионального прогноза геодинамически опасных зон при изменении горно-геологических и горнотехнических условий, а также для корректировки профилактических мероприятий для предотвращения динамических и газодинамических явлений.

По результатам анализа геодинамической модели и планов горных работ с нанесенными ТНЗ и другими опасными зонами определяются места заложения (места прогноза) многокомпонентных деформометров, геофонов и сейсмопавильонов, приуроченные, как правило, к наиболее нагруженным прогнозным участкам шахтного поля и месторождения. При отсутствии доступа к местам прогноза из действующих горных выработок необходимо до начала ведения

горных работ предусматривать бурение скважин из горных выработок выше- и нижележащих пластов в свите или с поверхности.

Поскольку при подходе подготовительными и очистными забоями к ТНЗ и другим опасным зонам увеличивается напряженное состояние в окрестности этих выработок, необходимо на стадии планирования горных работ предусматривать постоянный (текущий) мониторинг НДС горного массива. Системы постоянного геофизического и сейсмического мониторинга НДС горного массива должны быть интегрированы в многофункциональную систему безопасности в дополнение к приборам и аппаратуре, входящей в ее состав.

При выявлении системой мониторинга НДС горного массива опасных зон необходимо предусмотреть алгоритм действий, предупреждающих развитие опасных событий, который включает в себя идентификацию опасной зоны в части возможных рисков (горный удар, внезапный выброс, повышенное горное давление, малоамплитудное геологическое нарушение, выклинивание угольного пласта и др.).

В дальнейшем при постоянном мониторинге НДС массива многофункциональной системой безопасности предлагается выполнение следующего комплекса мер:

1. Локальный прогноз и локальные профилактические мероприятия по разгрузке массива с контролем их эффективности [2, 3] и последующим разрешением на возобновление горных работ.

2. Приостановка горных работ на период релаксации напряжений в горном массиве с последующим выполнением локального прогноза и локальных профилактических мероприятий по разгрузке массива с контролем их эффективности [2, 3] и последующим разрешением на возобновление горных работ.

3. Приведение горного массива в безопасное состояние с применением региональных (дистанционных) способов при постоянном мониторинге НДС массива многофункциональной системой безопасности с последующей интерпретацией результатов разгружающего воздействия на массив и выдачей разрешения на возобновление горных работ.

Третий комплекс мер является наиболее перспективным, поскольку исключает присутствие людей в опасных зонах, сопряженных с проявлениями горного давления в различных динамических формах в процессе выполнения локальных (прогнозных, профилактических) мероприятий, и не ограничивает технические воз-

научно-технический журнал № 2-2013

вестник 99

можности высокопроизводительной горной техники.

Реализация третьего комплекса мер возможна только с применением технологий активного управления НДС горного массива, применяемых в качестве мероприятий по предупреждению горных ударов, внезапных выбросов и разупрочнению труднообрушаемой кровли, которые переориентированы для снижения концентрации напряжений в опасных зонах и предварительной дегазации угольного массива.

В настоящее время из имеющихся активных технологий управления напряженно-деформированным состоянием углепородного массива [4, 5, 6] апробированными и наиболее эффективными из них (в том числе и их сочетание) являются:

- региональное увлажнение через скважины, пробуренные из выработок смежных пластов в свите с низконапорным и высоконапорным режимами нагнетания воды, поочередным подключением скважин в кусте под нагнетание воды и к дегазационному трубопроводу (или истечение метана в смесительную камеру);

- региональное увлажнение через скважины, пробуренные из выработок смежных пластов

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Правила безопасности в угольных шахтах: ПБ 05-618-03.

2. Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам: РД 05-328- 99 // Предупреждение газодинамических явлений в угольных шахтах: сб. док. - Сер. 05. - Вып. 2. - М.: НТЦ «Промышленная безопасность», 2000. - С. 4-119.

3. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа: РД 05-350-00 // Предупреждение газодинамических явлений в угольных шахтах: сб. док. - Сер. 05. - Вып. 2. - М.: НТЦ «Промышленная безопасность», 2000. - С. 120-246.

4. Вернигор, В. М. О проблеме управления напряженно-деформированным состоянием горного массива при подземной разработке свиты угольных пластов на глубоких горизонтах шахт Воркутинско-го месторождения / В.М. Вернигор // Народное хозяйство Республики Коми. - 1995. - № 1-2. - Т. 4. -С. 91-95.

5. Вернигор, В. М. Повышение безопасности горных работ в зонах ПГД / В. М. Вернигор, А. И. Субботин, Л. М. Гусельников, А. Н. Осипов // Безопасность труда в промышленности. - 1997. - № 11.

научно-технический журнал № 2-2013

100 ВЕСТНИК

в свите с низконапорным режимом нагнетания воды и последующим гидроразрывом;

- гидромикроторпедирование вмещающих пород с гидрообработкой в различных режимах и последующим гидроразрывом;

- гидромикроторпедирование угольных пропластков в междупластьях с последующей гидрообработкой в различных режимах и гидроразрывом;

- увлажнение через скважины, пробуренные с поверхности, с последующим гидроразрывом вмещающих пород;

- управление НДС горного массива через скважины, пробуренные с поверхности (например, гидроразрыв для снятия напряжений в области ТНЗ, применяемый ранее на рудниках), и другие.

Следует отметить, что положительный опыт применения технологий активного воздействия на углепородный массив через скважины, пробуренные из горных выработок смежных пластов в свите с целью снижения концентрации напряжений в зонах повышенного горного давления и предварительной дегазации, был накоплен на шахтах Печорского угольного бассейна в 80-90-е годы.

THE PRINCIPLES OF CREATION AND Вернигор Владимир Михайлович

IMPLEMENTATION OF THE MULTIFUNCTIONAL е-mail: vervlamix@rambler.ru

SAFETY SYSTEMS IN COAL MINES TO ENSURE

THE CONTROL OF THE STRESS-STRAIN STATE Соболев Виктор Васильевич

OF THE MASSIF е-mail: Sobolev567@gmail.com

V. M. Vernigor, V V. Sobolev

Principles of construction and realization of

the multifunctional safety systems in coal mines

are offered. Methods of ongoing monitoring of the

strain-stress state (SSS) of the massif, assessment

and forecast of different geodynamic hazards

and anthropogenic disasters in coal seams

are demonstrated. The algorithm of actions for

prevention of dangerous situations development

with control of efficiency of the executed preventive

actions is described.

Key words: COAL MASSIF, STRAIN, THE

ASSESSMENT OF THE SSS OF MINEFIELDS,

DANGEROUS AREAS, MULTIFUNCTIONAL

SAFETY SYSTEMS.

научно-технический журнал № 2-2013 Jk А

ВЕСТНИК 101