Геомеханическое обеспечение горных и горно-строительных работ. Ч.1. Геомеханическое обеспечение подземных горных работ. Учебное пособие

8. Геомеханический мониторинг массива горных пород

Геомеханический мониторинг – специиальная сенсорная и информационно-коммуникационная система наблюдений за напряжённостью массива, в котором ведут подземные горные работы, контроля, диагностики, оценки его состояния и управления им, для предотвращения опасного проявления горного давления.

8.1. Общие понятия

Наиболее типичными проявлениями горного давления являются:

-выбросо-, удароопасность, завалы;

-пучение почвы с нарушениями конвейерных и рельсовых путей;

-отслоение кровли и бортов выработки, разрушение целиков;

-сдвижение налегающей толщи пород после извлечения залежи, в результате которого наблюдают образование зон обрушения, а на земной поверхности – провалов или мульды сдвижения.

Цель геомеханического мониторинга состоит в том, чтобы на ос-

нове данных о свойствах и состоянии пород, в которых проходят горные выработки, а также устанавливают крепи подземных сооружений, оперативно выдавать заключения о возможности дальнейшей безаварийной эксплуатации очистных, горно-капитальных и горно-подготовительных выработок в течение необходимого по условиям эксплуатации срока службы или рекомендации по мерам охраны, позволяющие сохранить выработки в устойчивом (эксплуатационном) состоянии.

Задачи мониторинга – регистрировать проявления горного давления, наблюдатьзаихразвитием, осуществлятьдиагностикумассива, давать им оценку для обеспечения безопасности горных работ путем определения рациональных параметров, порядка и границ ведения горных работ, а также осуществлять оперативное управление состоянием массива с привлечением компьютерных технологий.

121

Геомеханический мониторинг включает:

-визуальные и инструментальные наблюдения за геодинамической эволюцией геологической (природной) среды, а также крепи подземных сооружений;

-оценку в лабораторных (на образцах) и натурных условиях прочностных, деформационных и реологических показателей свойств пород, слагающих массив;

-моделирование процессов деформирования и разрушения пород, окружающих незакрепленные выработки;

-создание электронной базы данных инструментального и визуального геомеханического состояния приконтурных пород и крепи выработок, а также компьютерной программы, позволяющей осуществлять накопление и оперативную обработку результатов мониторинга и

выдавать рекомендации по повышению устойчивости выработок. Визуализацию для фиксирования проявлений горного давления

применяют в широких пределах: от наблюдения за образованием мелких трещин до подвижек всей толщи пород, включая поверхность. Этот процесс требует непрерывного мониторинга, осуществляемого специалистами. Результатом мониторинга в зарубежных горных компаниях является оценка текущей геомеханической ситуации, прогноз развития и компьютерное управление по её предотвращению, а также рекомендации по дальнейшему безопасному ведению горных работ.

При визуальном обследовании находят трещины и отслоения. При простукивании такого состояния получают глухой звук, а в цельном массиве – звонкий. В зонах повышенного горного давления образование трещин сопровождают упругие колебания, которые образуют акустическую или электромагнитную эмиссию. Излучения регистрируют узконаправленными антеннами из нескольких точек, что позволяет осуществлять локацию опасных мест.

122

В табл. 8.1 приведена классификация состояния выработанных пространств по сейсмической активности массива налегающей толщи.

При наличии скважин в опасной области по команде компьютерной программы включаются насосы и в трещины закачивают специальные растворы (метод компенсирующей инъекции).

Мониторинг массива обеспечивает безопасность горных работ за счёт заблаговременного обнаружения представляющих угрозу зон и управления свойствами и состоянием массива.

Прогноз геодинамической опасности можно осуществлять на основе моделирования полей напряжений с учетом геотектоники и путем проведения сейсмодеформационного анализа.

Обоснование и выбор устойчивых параметров геоконструкции возможны на основе экспериментального определения величин и траектории действия вертикальной и горизонтальной составляющих горного давления. Качественно новый уровень геодинамической безопасности с выходом на технологические рекомендации может быть достигнут при использовании трехмерной геомеханической модели.

Её разработка требует соответствующего инструментария, обеспечивающего объемное моделирование полей напряжений вводом сейсмической и разнородной геомеханической информации, визуализацию дан-

123

ных и анализ многофакторных зависимостей в едином трехмерном пространстве.

8.2. Системы визуализации, прогноза, контроля и диагностики состояния массива

Основное назначение визуализации, прогноза, контроля и диагностики заключено в обеспечении безопасности ведения горных работ благодаря учёту данных как долгосрочного планирования при проектировании, так и краткосрочного прогноза с принятием своевременных профилактических мер.

Контроль состояния массива. Задачи:

-обоснование его критериев;

-разработка схем и выбор средств;

-выбор «слабых» участков массива в пределах шахтного поля;

-осуществление;

-оповещение персонала в случае возникновения опасностей.

124

а) по определению местоположения активных геомеханических зон и обеспечению непрерывного слежения за их поведением;

б) по эффекту взрыва для обеспечения эффективности и безопасности горных работ с применением сенсоров фирмы Instantel (Canada).

Обрабатывать информацию в режиме реального времени позволяют программные средства для автоматизации контроля.

Диагностика массива.

Системы геомеханического мониторинга – комплексные периодические наблюдения за состоянием массива горных пород с целью выявления негативных изменений и составление рекомендаций по их предотвращению и устранению. Персонал должен быть уверен в том, что геомеханические условия являются неугрожаемыми, а служба круглосуточно ведёт контроль с целью обеспечения безопасности труда в случае возникновения форс-мажорных обстоятельств.

Диагностика – изучение состояния массива на всех стадиях ведения горных работ в режиме реального времени. Если при этом аппаратуру располагают на расстоянии, то её называют дистанционной. Задачи:

-регулярное обследование;

-анализ изменений геометрических размеров массива на всех стадиях отработки по мощности и кратности подработки;

-инструментальные методы измерения физических показателей массива горных пород, сейсмических значений, параметров взрывов ВВ, условий сдвижения горных пород;

-наблюдение за движением земной поверхности;

-предупреждение внезапного обрушения.

Диагностика позволяет:

125

-обосновывать возможность безопасной выемки полезного ископаемого;

-предлагать способы и порядок погашения накопившихся потенциально опасных пустот;

-определять необходимость переноса поверхностных сооружений;

-устанавливать места возможных обрушений и заранее применять меры по их предотвращению.

8.3.Методы геомеханического мониторинга

8.3.1.Дистанционное космическое зондирование земных структур

В настоящее время актуальными стали исследования геодинамических процессов, протекающих в верхней части земной коры и имеющих как естественную, так и техногенную природу.

Если естественные геодинамические процессы проявляют себя в виде медленных трендовых подвижек по границам структурных блоков, то техногенные – вызваны деятельностью человека по добыче и переработке полезных ископаемых. Каждая из форм геодинамических процессов может привести к нарушениям объектов.

Современная наблюдательная станция состоит из 150 реперов, по которым с периодичностью 4 раза в год производят спутниковые геодезические измерения. При одновременном приеме радиосигнала от 4 и более спутников с программным обеспечением GPSurvey фирмы «Trimble» (США) проводят измерения на миллиметровом уровне точности.

Основу дистанционного зондирования составляют изображения по космическим снимкам в нескольких спектральных диапазонах или по данным лазерного/электромагнитного сканирования. В качестве съёмочных систем служат космические сканирующие сенсоры высокого раз-

решения (Spot, IRS, Aster, Ikonos, Quick-Bird) и радары с синтезированной

126

аппаратурой (Radarsat, EPS) с последующей компьютерной обработкой радиолокационных снимков, построением цифровых объемных моделей местности и выявлением геологических структур.

По изменению во времени основных компонент поля пространственных деформаций на данной базе вычисляют приращения тензоров поля естественных и техногенных напряжений.

Путем соответствующей группировки параметров тензоров напряжений в массиве выделяют блочные массивы, уточняют границы между ними и углы падения нарушений. Применяя методы математического моделирования, изложенные выше, на компьютерных программах ВНИМИ составляют прогнозные карты о НДС массива при его разработке.

Полученныеданныеслужатдляпланированиягорныхработсучетом горизонтальных составляющих горного давления, а также прогноза развития мульды сдвижения при подземной отработке, которую задают в нужном направлении специальным порядком отработки камер или блоков. Кроме того, в массиве ликвидируют зоны концентраций напряжений, служащих источником повышенной геомеханической опасности (горные удары, выбросы, обвалы, провалы).

Данные о фактическом состоянии массива за рубежом применяют при проектировании мест заложения стволов, выборе оптимальной системы разработки месторождения, проектировании мероприятий по изменению гидрогеологического режима участка массива, а также для обоснования параметров очистных выработок.

8.3.2. Геологотектоническая интерпретация при угледобыче

Изыскания не дают достоверных данных о состоянии угольного пласта и массива между вентиляционным и конвейерным штреками. Очистные работы наталкиваются на трудности, связанные с преодолением

127

выклинивания пласта и наличия сдвигов. На шахтах США, Австралии, Германии, Англии в промышленном масштабе с успехом применяют сейсмические, радиоволновые и компьютерные методы, при помощи которых удаётся сохранить производительность с минимальными потерями.

Пластовая сейсморазведка методами отраженных и проходящих волн заключается в бурении шпуров и проведении взрывов у одного штрека с регистрацией сигнала геофонами у этого же штрека или у другого. При взрыве небольшого заряда сигнал может проникать по породе до 1000 м. Методы позволяют судить либо о возможном выклинивании пласта, либо о нарушении.

Трехмерная сейсмическая томография при помощи оборудования компании «Сканска Сементейшн Плк» (Англия). При простом ударе молотком сейсмический сигнал может проникать по породе на расстояние до 500 м. По углю он затухает быстрее. Метод основан на расчёте скорости сигнала и изменения затухания при прохождении через породы в точке пересечения множества лучей в границах изучаемого объема породы. При этом по аналогичным зонам в слоях породы компьютерная программа выявляет нарушенные участки или зоны эрозии, а также утонение или утолщение напластований породы. Изменение скорости может быть также обусловлено другими, а не только геологическими и тектоническими изменениями, например механическими напряжениями, трещинообразованием или наличием пустот.

Метод формирования изображений с помощью радиоволн (3D-RIM) с применением оборудования фирмы «Столар Хоризон» (США) основан на том, что электромагнитные волны распространяются через уголь потому, что соседние с пластом угля породы почвы и кровли в силу своих характеристик заставляют угольный пласт вести себя как некий волновод. Однако этот волновод обладает тем свойством, что с увеличением расстояния движения волны происходит её «затухание»,

128

скорость которого жестко определяет геология пласта. Целью разведки с использованием метода является получение картины разбиения угольного столба на отдельные секции по величине затухания электромагнитной волны. Такую задачу решают с применением алгоритма геофизической инверсии к ряду переданных RIM-сигналов, идущих вдоль дискретных путей луча от одного штрека через панель к другому. Затем с конечной разрешающей способностью, которая зависит от плотности покрытия нарушений угольного пласта лучами и частоты передаваемого сигнала, компьютер формирует объемное изображение. Метод позволяет идентифицировать одну из трех характеристик: выклинивание, наличие сдвигов и кливажа, а также влагосодержание пласта. Разрешающая способность метода составляет около 2 м по нарушению.

При отработке 6 м угольного пласта на глубине 800 м частной шахтой «Доу Милл» (Англия) нагрузка на забой лавы длиной 300 м составляла 75 т товарного угля в неделю. При встрече с геологическим нарушением добычные работы были заторможены из-за обвалов пород кровли на 6 месяцев. Поступило предложение о переносе добычных работ за пределы нарушения. При этом естественными были бы значительные затраты, связанные с потерей запасов в целике, извлечением части крепи в завале, монтажом комплекса в новой лаве.

После того как доставили аппаратуру, проанализировали имеющиеся данныегеологическойразведкиохарактеренарушенияипроизвелиоценку риска затрат было принято решение в пользу наиболее экономичного и безопасного варианта – продолжения отработки пласта через нарушенную зону. В течение недели добычу угля увеличили, так как угольный пласт приобрёл свои нормальные размеры. Добыча лавы составила 3,5 млн. т товарного угля в год при общей численности занятых на шахте – 480 человек.

129

8.3.3. Шахтный метод определения исходного поля напряжений в массиве

Для реализации метода из выработки бурят скважину, в которую вставляют двупакерный зонд. При помощи насоса с расходомером производят двухразовое нагнетание воды в массив.

При первом нагнетании воды между пакерами на стенке скважины возникают растягивающие напряжения, приводящие к гидроразрыву породы (трещина), после чего давление снижается до стабильного Р3 (запирание), при котором давление воды уравновешивает воздействие нормальных к плоскости трещины напряжений массива. При повторном нагружении под давлением Р2 происходит раскрытие трещины (без разрыва), но с регистрацией давления распора Рраспор. Переход от давления воды и прочности породы на разрыв |σр| к напряжениям осуществляют из соот-

Для случая σверт < σmin применяют две разноориентированные скважины. Существуют другие методы определения гравитационных и тектонических напряжений: разгрузка торца и стенок скважин, метод компенсаций, метод упругого последствия, метод параллельных скважин, метод дискования керна, сейсмо- и электрометрия, эффекты памяти, геофизиче-

к приемнику. Умножением этого времени на скорость луча определяют

130