К вопросу систематизации геофизических исследований геомеханического состояния массива горных пород и земной поверхности для оперативного контроля безопасности ведения горных работ на угольных шахтах

1  H IN I i

90 ЛЕГ

УДК 622.831.31 © А.П. Егоров, В.А. Рыжов, 2019

К вопросу систематизации геофизических исследований геомеханического состояния массива горных пород и земной поверхности для оперативного контроля безопасности ведения горных работ на угольных шахтах

- Р01: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-10-29-33 -

В статье изложены: состояние вопроса безопасности на угольных предприятиях, методы сейсмодеформационно-го мониторинга и напряженно-деформированного состояния горного массива, геофизические исследования условно-провалоопасных зон на горных отводах закрытых шахт, приборо-аппаратурное обеспечение исследований и мониторинга.

Ключевые слова: безопасность на угольных предприятиях, сейсмодеформационный мониторинг и исследования НДС, условно-провалоопасные зоны, приборы и аппаратура.

ВВЕДЕНИЕ

На данном этапе развития отечественной угольной промышленности Правилами безопасности [1] установлены требования к созданию на шахтах многофункциональных систем безопасности, включающих комплекс геофизических наблюдений и регионального (локального) прогноза газодинамических явлений. Это вызвано тем, что на современном этапе интенсивный рост добычи угля ведет к увеличению глубины его выемки, в связи с этим к усложнению геомеханических и газодинамических условий ведения горных работ и росту напряжений в массиве горных пород.

Поя вляется необходимость в создании современных систем мониторинга геодинамических процессов, происходящих в горном массиве, которые обусловлены как природными, так и техногенными факторами. Учитывая, что все геодинамические процессы связаны с полями напряжений и деформаций, а вся аналитическая геомеханика оперирует переменными этих полей, можно заключить, что основой систем мониторинга геодинамических процессов является комплексный контроль напряженно-деформированного состояния (НДС) горного массива. При этом критерии оценки НДС массива для конкретных условий должны уточняться в процессе функционирования системы и иметь цифровое выражение, а объединение его подсистем должно производиться в едином аппаратно-программном комплексе. Выполнение данных требований возможно только на основе использования современных и надежных аппаратурных и программных комплексов проведения непрерывных сейсмических и деформационных наблюдений, увязанных в пространстве и во времени.

ЕГОРОВ А.П.

Канд. техн. наук,

заместитель директора по науке Сибирского филиала АО «ВНИМИ», 653004, г. Прокопьевск, Россия, e-mail: vnimi@inbox.ru

РЫЖОВ В.А.

Главный инженер Сибирского филиала АО «ВНИМИ», 653004, г. Прокопьевск, Россия, e-mail: vnimi@inbox.ru

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Сейсморазведка, в различных модификациях, является наиболее распространенным методом разведочной геофизики. При этом широкое промышленное применение нашел метод преломленных волн, используемый в подземной сейсмоакустической разведке. Сейсмоакустиче-ская эмиссия позволяет контролировать состояние массива, удароопасность пород, а также процессы их разрушения. Используя акустическую эмиссию, можно определять физико-механические свойства и НДС самых различных типов горных пород.

Установлено, что основная часть колебательной энергии от источников распространения техногенных сейсмических колебаний (искусственных вибраций) переносится поверхностными волнами, распространяющимися в пределах верхней части грунтовой толщи (10-15 м). Поэтому на сейсмическую их интенсивность оказывают влияние свойства грунтов. При этом наименьшей интенсивностью характеризуются сотрясения на скальных грунтах - гранитах, песчаниках и известняках. Плотным

-ы ^ I Н 1 А

дисперсным грунтам (пески, супеси, глины и суглинки) соответствуют средние значения сейсмической активности. Наибольшая сейсмическая интенсивность характерна для рыхлых дисперсных грунтов, в первую очередь насыпных.

Таким образом, можно заключить, что основным способом оценки сейсмической опасности является сейсмическое микрорайонирование (СМР), при котором учитывается влияние местных грунтовых условий на интенсивность сейсмических колебаний на земной поверхности. Методика СМР осуществляется с помощью типового сейсмологического оборудования, предназначенного для региональных и локальных наблюдений. Одной из множества разработок отечественных и зарубежных производителей, применяемых при инженерно-геофизических исследованиях, является трехканальный регистратор сейсмических сигналов «Регистр-3MS», укомплектованный трехкомпонентным велосиметром электродинамического типа конструкции Уральского отделения РАН.

При выполнении системы мониторинга НДС выявляются опасные зоны, включающие в себя формирование и проявление возможных опасных рисков (горные удары, внезапные выбросы, повышенное горное давление, выклинивание и расщепление пласта и др.). В дальнейшем по их результатам производится выбор необходимого комплекса мер, в частности:

- локальные меры прогноза и профилактические мероприятия по разгрузке массива и контролю эффективности их применения в соответствии с положениями Инструкций [2, 3];

- остановки горных работ на период выполнения данных мер и мероприятий и последующее разрешение на их возобновление.

Проведение работ по обеспечению локального прогноза НДС на участках подземных горных выработок и в очистных забоях рекомендуется производить с использованием многофункциональной геофизической аппаратуры «Ангел-М» конструкции АО «ВНИМИ».

Прибор позволяет обеспечить оперативный контроль безопасности ведения горных работ, поиск и текущий контроль в горных выработках участков, опасных по горным ударам, внезапным выбросам и другим геодинамическим проявлениям. Проведение локальных геофизических наблюдений посредством измерения электромагнитной эмиссии с помощью комплекса «Ангел-М» дает возможность получить информацию о характере развития геомеханических и геодинамических процессов, наличии участков нестабильного состояния горной среды, критическом состоянии отдельных участков массива и возможности возникновения кризисной или аварийной ситуаций, требующих изменения технологии работ или применения профилактических мер и мероприятий.

При проведении геофизических исследований оконтуренных комплексно-механизированных лав, с применением комплекса «Ангел-М» замеры проводятся в вентиляционном и конвейерном штреках, монтажной и де-монтажной (при наличии) камерах. После предварительной оценки выбирается шаг замеров (20-30 м). В каждой точке отсчета производится по 2 замера (с привязкой

и маркшейдерскому знаку - пикету). В дальнейшем по результатам исследований по регистрации электромагнитной эмиссии в выработках лавы производится описание замеров.

Комплекс позволяет в автоматическом режиме выполнять в течение заданного интервала времени (10 сек) прием на антенну сигналов переменного магнитного поля и выделяет аналоговыми методами цифровой обработки сигнала импульсную составляющую нестационарных сигналов, связанную с естественным излучением горных пород. Фиксированное направление приема излучения задается ориентацией антенны. Аппаратура оценивает по выборке пиковых амплитуд импульсов параметры «А» и «В».

По данным отсчетов во всех пунктах оценивается распределение ЭМИ. Относительно более напряженные участки отличаются по повышенным показателям параметров «А» и пониженным «В». В месте каждого замера (вертикально, вкрест оси выработки) автоматически собирается информация для дальнейшей обработки с построением графиков.

На горных отводах шахт, разрабатывающих угольные пласты с большим разнообразием горно-геологических условий залегания, зачастую стали проявляться сосредоточенные деформации земной поверхности в виде своеобразных локальных провальных воронок и канав, развивающихся по габаритам до размеров по ширине 6 м, глубине 5,5 м и протяженности 900 м. В большинстве случаев такие явления приурочены к закрытым и подвергшимся консервации угольным предприятиям. Образование провальных воронок и канав на земной поверхности значительно влияет на условия безопасной эксплуатации зданий и сооружений, расположенных на данных участках, а также на возможность использования подработанных территорий для застройки, проживания, пастбищ, огородничества, сенокосных угодий и других видов культурного земледелия.

Однако не только горные работы могут явиться причиной формирования провалов. Суффозия - пример образования провала по причинам, не связанным с горными работами. На практике имеются случаи даже влияния аварии на трубе большого диаметра для ливневых вод на образование провала. Необходимо отметить, что провалы могут образовываться и в результате суффозий, когда ливневые воды вымывают рыхлые породы через трещины дробленной породы в пустоты.

Имеется мнение, что закономерностей формирования провалов нет, следовательно, методы их прогноза сводятся к простой оценке вероятности образования провала. Нередко прогноз о вероятном формировании провала не сбывается. Такое состояние дел существенно затрудняет принятие проектных решений по использованию подработанных территорий земной поверхности.

Выявление и картирование подземных пустот и про-валоопасных зон в условиях урбанизированных территорий являются важным вопросом освоения этих территорий и безопасной их жизнедеятельности. Особенно острую форму этот вопрос приобретает для городских условий, которые отличаются плотной жилищной застро-енностью территории и наличием большого количества

охраняемых сооружений и объектов. Вопрос еще более обостряется в данном случае ввиду отсутствия в практике изысканий эффективных способов поиска провалоо-пасных зон, установления их пространственных форм и геометрических параметров.

Поиск и ликвидация пустот в условно-провалоопасных зонах на больших площадях горного отвода ликвидированной или ликвидируемой шахты осуществляются на основании утвержденных проектных решений. В любом случае условно-провалоопасные зоны подлежат уточнению на предмет обнаружения в них пустот экспериментальными методами, с помощью бурения разведочных скважин или геофизическими методами.

Из опыта произведенных работ установлено, что проведение инженерно-геологических работ для исследований условно-провалоопасных зон с помощью разведочных скважин является недостаточно информативным и тру-дозатратным. Кроме этого, возможность проведения буровых работ ограничивается степенью сложности и труд-нодоступности отдельных районов исследований (сложность рельефа, застроенность территории и др.), в связи с чем в последнее время способы исследований подземных пустот геофизическими методами приобретают все более широкий и разнообразный характер. Учитывая, что на данном этапе уровень геофизических исследований как в научном, так и техническом плане существенно возрос, их следует считать ведущими методами при изучении пустот.

Геофизические исследования при инженерно-геологических изысканиях на подрабатываемых территориях выполняются в соответствии с положениями нормативного документа [4]. Для определения местоположения и прослеживания разуплотненных зон, полостей и пустот, изучения напряженного состояния пород в массиве рекомендуется применять методы электро- и сейсморазведки. Выбор методов исследований (основных и вспомогательных) осуществляется в зависимости от характера решаемых задач и конкретных инженерно-геологических условий, в соответствии с приложением Д СП 11-105-97 (часть I) [4]. В целях повышения качества интерпретации геофизических данных рекомендуется в практике применять комплекс различных методов.

Приборы и системы разведочной геофизики, в частности для выполнения электротомографии методом сопротивлений и вызванной поляризации, как в отечественной, так и в зарубежной горной промышленности имеются. Но для осуществления методов сопротивлений на практике рекомендуется многоэлектродная аппаратура «Скала-48» производства ООО «КБ Электрометрии».

При выполнении работ по геофизическому обследованию условно-провалоопасных зон на конкретном территориальном объекте сейсмическое зондирование корреляционным методом преломленных волн (КМПВ) с регистрацией продольных ^р) волн и волн Релея (VR) производится с применением станции инженерной сейсмической SGD-SEL/24В. Для регистрации продольных волн применяются вертикальные сейсмоприемники GS 20^Х. Регистрация, накопление и запись сейсмической информации осуществляются встроенным энергонезависимым запоминающим устройством (ЗУ) с последую-

1  I i m I i

90 ЛЕГ

щей перезаписью на компьютер с помощью программы SGD-SEL View 2.00.

В ряде случаев проведение инженерно-геологических работ для исследования сложных геологических условий площади или трассы строительства является недостаточно информативным. Кроме этого, проведение буровых работ может быть ограничено ввиду труднодоступности района исследований, сложности рельефа или застроен-ности территории. Компенсировать недостаток информации поможет проведение геофизических изысканий. В отличие от бурения, дающего дискретную информацию о среде, геофизические работы позволяют получать непрерывную информацию вдоль профилей или площади исследования с целью:

- определения геологического строения массива горных пород;

- выявления зон повышенной трещиноватости и обводненности, наличия карстовых полостей;

- контроля состояния насыпных дамб и плотин, выявления в них зон фильтрации и размыва;

- определения глубины залегания уровня подземных вод, водоупоров, направления движения потоков;

- поиска и картирования водных источников и продуктивных мест для водоснабжения.

Одним из основных факторов, учитывающихся при проектировании, строительстве и эксплуатации инженерных сооружений, является гидрогеологическая обстановка.

Особенно очевидно значение подземных вод при всех видах гидротехнического строительства, подземном строительстве и отработке полезных ископаемых, а также при строительстве и эксплуатации электростанций и других особо ответственных сооружений.

Большую помощь при проведении разведочных работ на воду могут оказать современные методы геофизики, это направление исследований можно назвать гидрогеофизическим. Инженерно-геофизические методы при гидрогеологических исследованиях используют с целью решения следующих задач:

- определения водопроницаемости массива горных пород;

- характеристики условий залегания и движения подземных вод в зоне аэрации;

- изучения минерализации и температуры подземных вод во всем диапазоне глубин от земной поверхности до предельно больших глубин, представляющих интерес для данного вида строительства;

- прогнозирования режима подземных вод, связанного с влиянием техногенных факторов.

Перечисленные выше геолого-гидрогеологические задачи в большинстве своем могут быть решены одним из следующих методов или их комплексом:

- электроразведка методом сопротивлений (с использованием постоянного или низкочастотного тока);

- электроразведка методом вызванной поляризации;

- электроразведка методом естественного электрического поля;

- сейсморазведка методом преломления волн;

- электроразведка с использованием высокочастотных электромагнитных полей.

-ы i I H 1 à

Все эти методы обеспечены отечественной серийной аппаратурой, для них в достаточной степени разработаны теоретические и методические основы, поэтому они могут быть применены в необходимых производственных масштабах.

В целом можно заключить, что электроразведочные методы геофизических исследований гидрогеологической обстановки на исследуемом объекте земной поверхно-

Рис. 1. Общий вид геофизического прибора (комплекса) «Ангел-М»

Fig. 1. General view of the geophysical instrument (complex) "Angel-M"

сти являются наиболее информативными методами, позволяющими получать данные о широком наборе физических характеристик среды, отражающих степень разу-плотненности горных массивов и грунтов, их влажности и интенсивности фильтрационных процессов.

На практике, в любом случае, при проходке горных выработок, ведении очистных работ, строительстве зданий и сооружений и др. важно иметь информацию о строении массива горных пород и грунтов. Часто в этих случаях необходимо выявлять водоносные горизонты, зоны активного (интенсивного) трещинообра-зования и повышенных напряжений, карстовые воронки, водонасыщенные линзы, палеорусла рек и т.д. Наряду с данными процессами необходимо также решать и технические вопросы, такие как оценивание состояния контура выработок, определение мощности водозащитных целиков, качество закрепления массива. В последние годы для решения указанных задач используются георадиолокационные наблюдения, которые включают съемку как из подземной выработки, так и с поверхности. При этом в связи с протяженностью объектов приходится иметь дело с большими объемами данных, требующих трудоемких операций, обработки и интерпретации.

В настоящее время имеется обширная практика построения систем сейсмического мониторинга, эффективно используемых на угольных предприятиях США, Канады, ЮАР, Великобритании, Австралии и других стран. Богатейший опыт создания и эксплуатации таких систем накоплен и отечественной горнодобывающей промышленностью (предприятия Кузбасса, Воркуты, Норильска, Таш-тагола и др.). При их создании используется аппаратура как отечественных, так и зарубежных производителей (системы «GITS», AC «РЕЛСС», «ISS», «АСКМ», «Прогноз-ADS»). В последние годы стали появляться новые компании, предлагающие современную аппаратуру сейсмического и акустического мониторинга для контроля как в масштабе шахты, так и выемочного участка или при-

Рис. 2. Общий вид

аппаратуры «Скала-48»

Fig. 2. General view of the equipment "Skala-48"

Рис. 3. Общий вид hегистратора сейсмических сигналов «Регистр-3МS» Fig. 3. General view of the register-3MS seismic signals

Рис. 4. Общий вид сейсмостанции «SGD-SEL/24 В» Fig. 4. General view of the seismic station "SGD-SEL /24 V"

забойного пространства подготовительной выработки (Микон, EMAG, MARCO, DMT, Ингортех и др.).

Из действующих отечественных систем деформационного мониторинга известны «АС КГД», АПК «Массив-11-8а», ИС «Градиент». На рис. 1,2,3,4 представлена геофизическая аппаратура, рекомендуемая для проведения геофизических исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современные угольные шахты в настоящее время оснащены высокопроизводительной горной техникой, для безопасной деятельности которой необходимо создание условий, позволяющих достигать высоких нагрузок на очистные забои и больших скоростей проведения горных выработок с обеспечением необходимого уровня безопасности их эксплуатации. Однако до сих пор горнодобывающие предприятия несут значительные издержки, если различного рода геологические осложнения обнаруживаются «внезапно» в процессе ведения горных работ (тектонические нарушения, провалы земной поверхности, замещения и размывы пласта, изменение прочности и устойчивости вмещающих пород и др.). Зачастую вскрытие таких осложнений, без специальных мероприятий, приводит к катастрофическим аварийным последствиям.

Во избежание подобных ситуаций могут быть успешно применены как наземные, так и подземные комплексные наблюдения с проведением сейсмических и деформационных мониторингов. На основе выполненной выше

1  Ы и 11

90 ЛЕГ

оценки состояния построения и реализации многофункциональных систем безопасности на угольных предприятиях можно заключить, что для этого имеется все необходимые современные аппаратурные и программные комплексы, позволяющие на практике эффективно проводить непрерывные сейсмические и деформационные наблюдения, увязанные как в пространстве, так и во времени.

Сп исок литературы

1. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности в угольных шахтах». Серия 05. Выпуск 40. М.: ЗАО НТЦ ПБ, 2018. 198 с.

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. документов. Серия 05. Выпуск 2. 4-е изд. испр., доп. М.: ЗАО НТЦ ПБ, 2011. 304 с.

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. документов. Серия 05. Выпуск 2. 4-е изд. испр., доп. М.: ЗАО НТЦ ПБ, 2011. 304 с.

4. СП 11-105-97 «Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть V. Правила производства работ в районах с особыми природно-техногенными условиями».

SUBSOIL USE

UDC 622.831.31 © A.P. Egorov, V.A. Ryzhov, 2019

ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2019, № 10, pp. 29-33 DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-10-29-33

Title

TO THE ISSUE OF SYSTEMATIZATION OF GEOPHYSICAL STUDIES OF THE GEOMECHANICAL STATE OF ROCK MASS AND THE EARTH'S SURFACE FOR operational MONITORING OF THE SAFETY OF MINING IN COAL MINES

Authors

Egorov A.P.', Ryzhov V.A.'

1 "Research Institute of Mining Geomechanics and Mine Surveying - the Intersectoral Research Center VNIMI" JSC, Siberian branch, Prokopyevsk, 653004, Russian Federation

Authors' Information

Egorov A.P., PhD (Engineering), Deputy Director of Science, e-mail: vnimi@ inbox.ru

Ryzhov V.A., Chief Engineer, e-mail: vnimi@inbox.ru Abstract

The article touches upon: the state of the issue of safety at coal mines, methods of seismic deformation monitoring and the stress-strain state of the rock mass, geophysical studies of conditionally failing zones at mining allotments of closed mines, instrumentation and hardware for research and monitoring.

Keywords

Safety at coal mines, Seismic deformation monitoring and stress-strain state studies, Conditionally hazardous zones, Instruments and equipment.

References

1. Federalnye normy i pravila v oblasti promyshlennoy bezopasnosti "Pravila bezopasnosti v ugolnykh shakhtakh" [Federal rules and regulations in the

field of industrial safety "Coal Mine Safety Regulations"]. Series 05, Issue 40, Moscow, NTTs PB JSC Publ., 2018, 198 p. (In Russ.).

2. Instruktsiya po bezopasnomu vedeniyu gornykh rabot na shakhtakh, razra-batyvayushchikh ugol'nyyeplasty, sklonnyyekgornym udaram. RD 05-328-99 [Instructions for the safe conduct of mining operations in mines developing coal seams prone to mountain impacts. RD 05-328-99]. Prevention of gas-dynamic phenomena in coal mines: Collection of documents. Series 05. Issue

2. 4th edition, revised, add.]. Moscow, NTTs PB JSC Publ., 2011, 304 p. (In Russ.).

3. Instruktsiya po bezopasnomu vedeniyu gornykh rabot na plastakh, opasnykh po vnezapnym vybrosam uglya (porody) igaza. RD 05-350-00 [Instructions for the safe conduct of mining on formations hazardous for sudden emissions of coal (rock) and gas. RD 05-350-00]. Prevention of gas-dynamic phenomena in coal mines: Collection of documents. Series 05. Issue 2. 4th edition, revised, add.]. Moscow, NTTs PB JSC Publ., 2011, 304 p. (In Russ.).

4. SP 11-105-97 "Inzhenerno-geologicheskiye izyskaniya dlya stroitel'stva [SP 11-105-97"Engineering and geological surveys for construction] Part V. Rules for the performance of work in areas with special natural and technological conditions". (In Russ.).

Received September 04,2019