Влияние техногенных геодинамических процессов на устойчивость приконтурного массива горных пород

__© В.Н. Захаров, 2011

УДК 622.25:502.5 В.Н. Захаров

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОГЕННЫХ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ПРИКОНТУРНОГО МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД

Проведен анализ причин формирования и развития техногенных гео- и газодинамических процессов при высокопроизводительной проходке подготовительных выработок и очистных работок на газоносных угольных пластах. Предложена структурная схема автоматизированной системы сейсмоакустиче-ского и геомеханического мониторинга опасности гео- и газодинамических явлений.

Ключевые слова: шахта, уголь, внезапный выброс, метан, геофизика, сейсмо-акустика, мониторинг.

Лрактика ведения горных работ показывает, что увеличение скорости подвигания подготовительных выработок и нагрузок на лаву за счет применения современной высокопроизводительной горной техники резко усиливает масштабы и динамичный характер проявления геомеханических и газодинамических процессов, происходящих в массиве горных пород в зоне ведения горных работ. Это в свою очередь повышает опасность возникновения различных типов гео- и газодинамических явлений, в том числе ранее малоизвестных, появившихся только в последнее время на шахтах Кузбасса и Воркутского месторождения. Так, помимо возрастания силы ранее известных гео- и газодинамических явлений типа горных ударов, внезапных выбросов угля и газа, обрушений и отжимов с повышенным газовыделением из призабойных зон угольных пластов, а также горных ударов, все более серьезную опасность для шахт начинают представлять разломы вмещающих пород с выбросом газа в призабойное пространство лав и штреков.

В связи с этим, основной задачей исследования гео- и газодинамических явлений в высокопроизводительных шахтах является изучение природных (геологических, геомеханических, газодинамических) и техногенных особенностей их возникновения.

Анализ большого объема накопленных в настоящее время статистических и экспериментальных данных позволяет сделать вы-

159

вод о трех главных особенностях, которые следует учитывать при разработке эффективных и новых способов прогноза и предотвращения гео- и газодинамических явлений.

1. Внезапные выбросы угля и газа происходят в зоне влияния горной выработки на напряженно-деформированное состояние призабойной части массива. Известно, что размеры протяженности полостей внезапных выбросов от поверхности обнажения угольных пластов забоями вглубь массива по трассе движения выработки обычно не превышает 5 - 15 м, что по экспериментальным данным соответствует длине области предельно-напряженного состояния краевой части этих пластов впереди забоев горных выработок.

2. Внезапные выбросы практически всегда (более 95% случаев) происходят в момент подвигания забоя горной выработки, т.е. в момент техногенного воздействия и резкого изменения напряженно-деформированного и газодинамического состояния призабой-ной зоны пласта. Соответственно скорости подвигания забоя горной выработки (скорость снятия бокового напряжения о3 и образования новой свободной поверхности) и глубина захвата при выемке имеют определяющее значение для формирования выбросоопасной ситуации в призабойной части массива.

3. По статистическим данным, большинство явлений внезапных выбросов привязано к местам мелкоамплитудных тектонических нарушений (раздувам и утончениям пласта, сбросам, взбросам), т.е. к местам, где чаще всего может наблюдаться эффект задержки деформаций и возрастания концентрации напряжений, который согласно последним исследованиям [1, 4] сильно влияет на выбросоопасность пласта.

Анализ полученных результатов проведенных комплексных натурных исследований напряженного и газодинамического состояний призабойной зоны угольных пластов показывает, что эпюры распределения напряжений, измеренные в натуральных условиях, могут различаться крутизной нарастания и спада напряжений и размерами этих зон. Это связано с разнообразием свойств угольных пластов и вмещающих пород, способами управления горным давлением, глубиной разработки и другими факторами.

В качестве важного экспериментально установленного факта следует выделить высокую изменчивость длины области предельного состояния пласта (расстояния от забоя до максимума напряжений 1к) и коэффициента концентрации напряжений К для одного

160

и того же пласта по мере подвигания забоя горной выработки. Эти данные говорят о влиянии на напряженное состояние пласта не только механических свойств

Из экспериментальных данных следует также, что нарастание и в особенности падение давления газа в призабойной части пластов происходит довольно синхронно с аналогичными изменениями в эпюре распределения напряжений, при этом максимум давления газа обычно повторяет максимум напряжений, а длина зоны дегазации краевой части пласта соответствует длине зоны спада напряжений. Следовательно, характер изменения напряженного состояния пласта определяет характер изменения газодинамических параметров угольного пласта в призабойной зоне и, в конечном счете, его выбросоопасность.

Кроме того, напряженно-деформированное состояние приза-бойной зоны угольных пластов определяет характер проявления акустической эмиссии, связанной с процессами трещинообразова-ния, деформирования и разрушения массива. Так, например, по данным натурных наблюдений выбросоопасные зоны угольных пластов, отличающиеся повышенной сейсмоакустической активностью, характеризуются относительно неопасных зон более высокой концентрацией напряжений и более высоким градиентом роста и спада напряжений в краевой части пластов.

Из анализа возможных схем сдвижения подработанных пород, а также результатов расчета следует, что формирование газового коллектора в породах кровли выемочного участка происходит следующим образом.

По мере отработки выемочного столба увеличивается площадь зависающих пород кровли с периодическим последовательным обрушением непосредственной кровли и затем основной (шаг 15-20 м). Породы налегающей толщи зависают над обрушенными породами непосредственной и основной кровель, образуя газовый коллектор. Оседания пород налегающей толщи происходят сразу после обрушения пород основной кровли, пластичные деформации развиваются постепенно и зависят от скорости подвигания забоя и свойств пород.

При отработке выемочных столбов наиболее активная часть газового коллектора перемещается очистным забоем и при первом

161

обрушении пород налегающей толщи происходит закрытие пустот, уплотнение разрыхленных пород и выплеск метана в призабойное пространство. Импульсный характер газовыделения отчетливо подтверждается горной практикой. Отмечено, что интенсивное ме-тановыделение может происходить также и из пород почвы пласта. Однако, для установления механизма этого процесса следует провести дополнительные шахтные и аналитические исследования.

Анализ материалов расследований внезапных прорывов и экстремальных выделений метана на кузнецких шахтах «Капитальная», «Абашевская» и «Юбилейная» позволил сделать следующие выводы [2, 3].

1. Все опасные газопроявления происходят в длинных (150 м и более) комплексно-механизированных лавах с высокой скоростью подвигания забоев, обуславливающей интенсивную, порой динамическую разгрузку от горного давления нижележащих пластов и пропластков угля, залегающих в прочных и хрупких вмещающих породах.

2. Почти во всех случаях визуально регистрировались трещины в почве пласта за секциями или в погашенных вентиляционных и конвейерных штреках вблизи забоя лавы. Из трещин прорыва иногда выносился пылевидный уголь.

3. Газопроявления происходили на пологих и слабонаклонных пластах средней мощности при резком повышении темпов подвигания забоя, при наличии ослабленного контакта мощной линзовидной залежи песчаника с глинистыми породами, при обрушении прочных пород основной кровли, в зоне крупного тектонического нарушения или его ответвлений.

4. Источниками опасных газопроявлений были надрабатыва-емые пласты и пропластки угля в 10-17 м от разрабатываемого пласта при спокойном залегании, а при большем удалении, но в пределах зоны защитной надработки, газопроявления связаны с разрывными нарушениями, пересекающими угленосную толщу.

5. Диаграмма автоматической записи концентрации метана аппаратурой АКМ в исходящей вентиляционной струе аналогична диаграммам при внезапных выбросах угля и газа - кривые записи концентрации круто поднимаются вверх в течение нескольких минут.

Источниками опасности внезапных прорывов метана могут быть также газонаполненные зоны дробленых песчаников под

162

экранирующими водоносными горизонтами или под слоями слабопроницаемых глинистых пород.

Выше изложенное, показывает необходимость создания на высокопроизводительных шахтах современных автоматизированных систем мониторинга опасности внезапных прорывов газа, использующих геолого-геомеханические, геофизические и газодинамические методы контроля.

В соответствии с геомеханической моделью возникновения внезапных выбросов разрушение в виде выбросов происходит вследствие потери устойчивости призабойной зоной угольного пласта и перехода к лавинному разрушению под совместным действием газа и горного давления во время подвигания забоя подготовительной или очистной выработки [5,6].

Условие выброса формулируется следующим образом: для разрушения некоторого объема угольного массива в форме выброса необходимо и достаточно, чтобы напряжения, возникающие в этом объеме под действием сил горного давления и давления газа превысили прочность угля и превзошли некоторый минимальный предел, обеспечивающий процесс лавинного самоподдерживающегося разрушения энергетически. Условия такого разрушения могут быть обобщены в силовом критерии (1) [7], который приведен ниже.

В данном критерии максимальные нормальные к пласту напряжения в призабойной зоне пласта распределены по линейному закону, универсальное условие потери устойчивости и возникновения внезапного выброса можно представить в виде:

4 1 и 2 и ' \

КР ксж 1к

где Р - наибольшее давление газа в пласте на данной глубине (участке), МПа; оун - среднее напряжение в массиве на данной глубине от поверхности; оно принимается равным весу толщи налегающих пород, МПа; к - коэффициент концентрации напряжений, который измеряется гидродатчиками или принимается равным К-1,5...2,5 в зависимости от типа горной выработки и технологии; и Яр - пределы прочности угля на сжатие и разрыв, определяемые в забое экспресс-методом прочностномером П-1, МПа; 1о - глубина заходки при выемке (сменная скорость подвигания забоя), м; 1к-расстояние от поверхности забоя до максимума концентрации

163

напряжений в призабойной части угольного пласта, м; а1 и а2 - эмпирические коэффициенты для углей.

Два первых безразмерных параметра критерия характеризуют уровень напряжений и давления газа, соотнесенные с прочностью, а третий параметр 10/1к - их градиент в призабойной части пласта в первый момент после образования новой свободной поверхности в результате выемки и подвигания забоя.

Анализ формулы (1) показывает, что соотношение между глубиной заходки при выемке и длиной зоны разгрузки впереди забоя, определяемое безразмерным параметром 10/1к, существенно влияет на устойчивость призабойной зоны пласта и играет решающую роль в создании выбросоопасной ситуации на угольных пластах, обладающих потенциальной выбросоопасностью.

Расчеты показывают, что наиболее выбросоопасными являются квершлаги и подготовительные выработки, проходимые взрывным способом, для которых показатель 10/1к = 1. Для очистных выработок значение показателя 1о/1к обычно изменяется в пределах 0,5...0,1, что снижает их выбросоопасность относительно квершлагов на тех же пластах в 2-10 раз и более. Согласно выполненного анализа, примерно в 70-80% случаев проведения подготовительных выработок комбайновым способом в опасных по результатам текущего прогноза зонах в условиях шахт Кузбасса внезапные выбросы угля и газа могут быть предотвращены выбором безопасной технологии подвигания выработки.

Варьируя исходные физические параметры, входящие в критерий выбросоопасности (1), можно выбирать наиболее безопасные технологии и определять эффективные параметры способов предупреждения внезапных выбросов для конкретных горногеологических условий.

В результате можно сделать следующие выводы.

1. Практика ведения горных работ и теоретические исследования показывают, что увеличение скоростей проходки и отработки угольных пластов с применением высокопроизводительной техники увеличивает опасность возникновения газодинамических явлений.

2. Степень влияния скорости подвигания забоя на выбросо-опасность и удароопасность горной выработки определяется напряженным состоянием, газоносностью и физико-механическими свойствами разрабатываемых угольных пластов. Количе-

164

ственная оценка такого влияния может быть выполнена на основе предлагаемой геомеханической модели, приведенной выше.

3. Применение автоматизированных систем контроля и прогноза выбросоопасности с использованием установленных закономерностей позволит оптимизировать безопасные скорости проходки в различных горногеологических условиях и эффективность параметров способов предотвращения газодинамических явлений.

В соответствии с выполненным анализом с полученными выводами автоматизированная система прогнозирования опасности горных работ по газодинамическим явлениям может иметь блочно-модульный принцип построения и формироваться из четырех основных подсистем (блоков):

- подсистемы 1 - акустического контроля напряженно-деформированного состояния призабойного массива и опасности газодинамических явлений;

- подсистемы 2 - контроля газодинамической активности призабойного массива и опасности газодинамических явлений;

- подсистемы 3 - контроля сейсмической активности шахтного поля (участка) и опасности газодинамических явлений;

- подсистемы 4 - геомеханического прогноза, диагностики и оценки риска газодинамических явлений.

Структурная схема автоматизированной системы сейсмогазо-динамического и геомеханического мониторинга опасности и газодинамических явлений при проходческих и очистных роботах представлена на рисунке 1.

В комплекс мероприятий по прогнозу и контролю опасности внезапных выбросов угля и газа и горных ударов входят:

1. Текущий акустический контроль напряженно-деформированного состояния призабойного массива, его выбросоопасно-сти и удароопасности по амплитудно-частотным характеристикам (АЧХ) и декременту поглощения зондирующего сигнала при техногенном воздействии на призабойный массив или по акустической эмиссии массива.

2. Текущий контроль газодинамической активности приза-бойной части угольного пласта на основе регистрации изменения концентрации метана в рудничной атмосфере и расхода воздуха в призабойной части горной выработки.

165

3. Текущий контроль сейсмической активности шахтного поля (участка) и опасности ГДЯ из вмещающих пород.

4. Текущий контроль изменчивости физико-механи-ческих свойств (прочности, упругости и коэффициента газоотдачи) угольного пласта по трассе подвигания горной выработки экспресс-методом прочностномером П-1.

5. Прогнозная геомеханическая, по геоэнергетическому критерию, оценка степени выбросоопасности и удароопасности участка шахтного поля и призабойной зоны угольного пласта по трассе подвигания горной выработки на базе использования данных геологоразведочных работ (газоносность, тектоническая нарушен-ность, прочность по кавернометрии и др.) и текущих контрольных определений физико-механических свойств угля в забое подвигаемой горной выработки экспресс-методом прочностномером П-1.

6. Текущий прогноз опасных зон, типа и риска газодинамических явлений комплексным сейсмогеомеханическим методом (по раздельным и комплексным критериям).

7. Моделирование безопасных параметров подвигания забоев горных выработок и эффективности противовыбросных и противоударных мероприятий (на основе единой сейсмогеомеханической модели опасности газодинамических явлений, учитывающей комплексное действие природных и техногенных факторов и банка данных свойств и состояния массива).

8. Контроль эффективности противовыбросных и противоударных мероприятий, рекомендации по способам предотвращения газодинамических явлений.

В зависимости от горно-геологических и горно-техни-ческих условий ведения горных работ и степени опасности газодинамических явлений может применяться весь комплекс перечисленных мероприятий или только часть из них.

166

Рис. 1. Структурная схема автоматизированной системы сейсмогазодинамического и геомеханического мониторинга опасности гео- и газодинамических явлений при проходческих и очистных работах

Таким образом, автоматизированная система безопасности горных работ по внезапным выбросам и горным ударам, являясь универсальной комплексной системой, структурно формируется из нескольких, охватывающих широкий спектр функциональных задач и возможностей подсистем, состоящих в свою очередь из ряда модулей.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Захаров В.Н., Фейт Г.Н. Прогноз опасности газодинамических явлений по развитию геомеханических и сейсмоакустических процессов в массиве при ведении горных работ.//Оценка и управление природными дисками. Материалы Всероссийской конференции "Риск - 2006". - М.: Издательство РУДН, 2006, с. 91 - 93.

2. Лаврик В.Г., Ногих С.Р., Лудзиш В.С., Радиковский М.И., Стекольщиков Г.Г. Влияние характера деформирования вмещающих пород на газовую обстановку в очистном забое/Метан угольных шахт: прогноз, управление, использование. Препринт метанового центра. - Кемерово. - 1997. - № 3. - С.16-18.

3. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа (РД 05-350-00) - М., НТЦ «Промышленная безопасность», 2001.

4. Рубан А.Д., Захаров В.Н. Технология сейсмоакустического прогнозирования газодинамических явлений (ГДЯ) в угольных шахтах. Горная геофизика. Международная конференция. С.-Пб., ВНИМИ, 1998.

5. Захаров В.Н. Сейсмоакустическое прогнозирование и контроль состояния и свойств массива горных пород при разработке угольных месторождений. -М.: ННЦ ГП -ИГД им А.А. Скочинского, 2002. - 172 с.

6. Рубан А.Д., Захаров В.Н., Хмара О.И. Контроль и прогнозирование состояния забоев опасных по газодинамическим явлениям// Межд. конф. т. 1: Охрана труда в подземных и открытых шахтах и рудниках. - Болгария, Варна. - 1998. - С. 174-181.

7. Фейт Г.Н., Малинникова О.Н., Рудаков В.А. Геоэнергетический способ прогноза опасности внезапных выбросов и выбора эффективных мероприятий по их предотвращению/ Безопасность и охрана труда в угледобывающей промышленности //Международный симпозиум по горной технологии - 98.. Китай, Чун-цин, 1998, С. 46-50. ЕШ

— Коротко об авторе -

Захаров В.Н. - профессор, доктор технических наук, vnzakharov@gmaii.com, УРАН ИПКОН РАН

168