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

J – полная удельная работа взрыва ВВ, Дж/кг; Q – масса заряда ВВ, кг.

Значение К характеризует удароопасное состояние массива пород, в котором производится взрыв (табл. 5.3).

Таблица 5.3 Критерий удароопасиости на месторождениях Горной Шории

5.4.Проблемы подрабатываемого массива

Сростом площади отработанного пространства (технологические целики, распорная крепь, обрушенная кровля) активизируются процессы толчкообразного деформирования крупных объемов пород. В отличие от стреляний, микроударов и горных ударов, при которых разрушения пород/руд/угля происходят на обнажениях массива в выработках, толчки – это следствие разрушения связей между структурными блоками V и меньших рангов, ограниченными пострудными крутопадающими тектоническими нарушениями. Границы структурных блоков служат готовыми магистральными трещинами, по которым однажды уже произошло разрушение массива, в силу чего они являются долгоживущими сенсорными зонами, наиболее чувствительными к техногенным изменениям поля напряжений в массиве.

71

Под влиянием подработки и переориентировки напряжений в массиве при отработке наклонно-крутопадающих рудных залежей по восстанию на уменьшающийся потолочный целик происходит возрастание горного давления.

Возникают условия суперпозиции повышенных природных напряжений, особенно у геологического нарушения, которое «оживает» приприближениизабояивкоторомспусковыммеханизмомгорныхударов является сейсмическое влияние технологических взрывов. Внедрение системы расходящихся фронтов от центра рудничного поля к флангам при отработке месторождения и потолочин изменяет интенсивность и характер горных ударов и стреляний в краевых частях рудного тела. В зарубежной практике применение твердеющей закладки (закладочной пасты), оборудования с дистанционным управлением, а также миллисекундного замедления при взрыве позволяют обеспечить «абсолютную» безопасность горных работ.

Вместе с тем происходит активизация динамических явлений в форме толчков. Например, толчки происходят при отработке Южного полиметаллического месторождения в блоках, у которых породы кровли пересечены плоскостями 3-7 разрывных тектонических нарушений. Инициатором толчков являются взрывные работы в блоке.

При подработке на контактах структурных блоков возникают сдвигающие силы. Разрушению препятствуют силы трения и сцепления по ослабленным поверхностям тектонических нарушений, а также оставленные целики. При значительной подработке (до 80%) площади структурных блоков происходят резкие их подвижки в сторону отработанного пространства, протекающие в форме толчкообразного деформирования массива. Напервыхстадияхэтогопроцессавеличинаподвижекблоковзависит от их масштаба и исчисляется миллиметрами.

72

По мере «срезания» выступов на границах структурных блоков перемещения последних могут переходить в стадию быстрого скольжения с высвобождением большого количества энергии соответствующего ГТУ. Отсутствие обрушений пород на отработанной площади и активно протекающий процесс толчкообразного деформирования позволяют предположить, что подработанный массив пород месторождения в настоящее время представляет собой саморегулирующуюся блочную систему в состоянии динамического равновесия. Вместе стемв процессе дальнейшей отработки рудного тела/угольного пласта возрастает вероятность того, что это равновесие может быть нарушено и проявится в форме ГТУ с катастрофическими последствиями. Поскольку прогнозирование времени и места подобных проявлений расчётными методами или аппаратными средствами представляет собой трудную задачу, необходимо включить в технологию обработку подработанных структурных блоков по плоскостям тектонических нарушений.

Традиционный способ разупрочнения и обрушения зависших монолитных массивов пород кровли, сложившийся к настоящему времени, основан на бурении скважин в породы висячего бока, заряжении и взрывании его. При всей простоте исполнения буровзрывной способ посадки пород кровли не лишен ряда недостатков, ограничивающих его применение: низкий КПД взрыва и суперпозиция напряжений при групповом взрывании скважин, отсутствие экологической чистоты и, что наиболее существенно, высокая скорость (2-6 км/с) распространения реакции взрыва. Столь быстрое протекание воздействия взрыва на массив способствует неуправляемому изменению отдельных участков НДС, что может спровоцировать горные удары большой энергетической мощности.

73

5.5. Способы предотвращения опасностей геомеханической природы

Предотвращение ударо- и выбросоопасности угольных пластов в шахтах Караганды, Украины, Кузбасса, Германии

Одним из способов предотвращения ударо- и выбросоопасности угольных пластов является бурение разгрузочных и дегазационных скважин.

Фирма dH-mS (Германия) разработала идею с применением самоходной установки PD-28C с кареткой для бурения дегазационных скважин в пластах с газоносностью 20 м3/т и последующим каптированием метана. Скважины длиной до 3000 м диаметром 130 мм с воздушной продувкой или водяной промывкой предназначены для опережающей дегазации разрабатываемого пласта из штрека в зоне впереди очистного забоя в качестве альтернативынагнетаниюводывпласт. Установкуприменяютдлякаптажа газовыделения из пластов-спутников и газоносных слоев вмещающих пород.

Для бурения разгрузочных скважин на выбросо- и удароопасных пластах фирма Demeta (Германия) разработала буровую установку SBW. Каретка движется по рештачному ставу конвейера и производит бурение длинных (до 30 м) разгрузочных скважин диаметром до 140 мм в массиве угля, а также бурение глубоких (до 15 м) скважин в кровле пласта крепостью до 12.

Все буровые машины оснащены буровой автоматикой, обеспечивающей их дистанционное управление, экологию и долговечность бурового инструмента.

Работы по бурению связаны с геомеханическими расчётами по определению местоположения опасных зон, прогнозированию напряженного состояния и оценке защитных мер.

74

Технология направленного гидрорасчленения породного массива U H S или U S S на шахтах Польши

Технологию применяют на стадиях вскрытия, подготовки и отработки залежи в следующих ситуациях:

-в зонах сейсмического сотрясения, а также потенциальной или установленной удароопасности;

-при опасности возникновения внезапных выбросов газа;

-при опасности деформации подготовительных выработок, ведущей к потере их работоспособности;

-для мягкой посадки кровли;

-для смещения в глубь массива зоны повышенных напряжений;

-повышения эффективности дегазационных скважин;

-предотвращения раздавливания щита тяжёлой кровлей.

Основной идеей метода является создание трещин, которые делят породы кровли или почвы на блоки определенных размеров. Подобный процесс возможен путем введения так называемого инициатора образования трещины с точно заданным трехмерным направлением. Инициатор определяет направление распространения гидравлического расслоения, образование которого вызывают давлением нагнетаемой жидкости или применением взрывчатых веществ. Диапазон действия образующегося таким образом разрыва сплошности породных слоёв несравнимо больше, чем при существующем сотрясательном взрывании, и распространяется в породном массиве на расстояние до 25 м от скважины.

Разделение породных слоёв на небольшие блоки или плиты ускоряет их деформацию в зонах горных работ. Уменьшение сейсмической активности, сокращение величин статического и динамического горного давления, а также повышение дебита метана в дегазационные скважины – всё это характеризует эффективность метода, который с успехом применяют на польских угольных шахтах.

75

Геомеханические расчёты позволяют выбрать эффективные схемы расположения скважин, основные параметры щелевой разгрузки для безопасной отработки угольных пластов и рудных залежей

Другой способ разупрочнения труднообрушаемой кровли основан на стратификации налегающего массива методом ориентированного флюидоразрыва ОФР (Чернов О.И., 1981 г). Сущность метода состоит в следующем. Внутри скважины, пробуренной в породах налегающего массива, в плоскости будущего разрыва специальным устройством нарезают инициирующую щель (концентратор напряжения). Далее щель перекрывают пакерами и в промежуток между ними нагнетают флюид. Под его воздействием происходят разрыв пород и рост трещины в заданном инициирующей щелью направлении. На семи шахтах Кузбасса и двух польских шахтах в комплексно-механизированных лавах проведены расслоение и посадка труднообрушаемых кровель. Например, при проведении посадки труднообрушаемой кровли после ОФР площадь искусственной трещины при давлении воды 20 МПа составила около 2000 м2. При этом развили усилие в массиве 40 ГН с расходом воды всего в пределах 1 м3.

Предотвращение горных ударов и внезапных выбросов угля и газа на угольных шахтах Германии и Китая

Для предотвращения горных ударов на угольных шахтах применяют разгрузочные мероприятия. К ним относят бурение разгрузочных скважин, камуфлетное взрывание и защитную отработку пластов.

В Германии различают удароопасность потенциальную и доказанную. Потенциальную опасность оценивают по прочности вмещающих пород почвы и кровли путем колонкового бурения. Если в породах не обнаруживают породных слоёв, обусловливающих удароопасность угольных пластов, то в таких случаях отказываются от проведения кон-

76

трольных мероприятий. Если в кровле или почве пласта обнаружены малопрочные, склонные к выдавливанию по плоскости раздела слои критической мощности, то имеют дело с доказанной удароопасностью. В этом случае производят разгрузочные и контрольные мероприятия. Разгрузочное бурение, камуфлетное взрывание в скважинах применяют для смещения зоны напряженного состояния вглубь массива.

Контроль напряженного состояния угольных бортов подготовительных выработок и эффективность разгрузочных мероприятий осуществляют по выходу бурового шлама, количеству разгрузочных хлопков и по уменьшению поперечного сечения скважины.

Для прогноза, профилактики, проверки эффективности и мер безопасности персонала от внезапных выбросов угля и газа на шахтах Китая рекомендованы специальные меры.

Приборы для прогноза выбросоопасности АТУ и WTC определяют опасность по измеряемому в скважинах дебиту газа и десорбционным свойствам угля. Они обеспечивают 100%-ную достоверность прогноза для невыбросоопасных пластов, а для выбросоопасных – на 70%. Применяют также методы прогноза, основанные на измерении звуковых волн, газовыделения, изменения температуры и электромагнитного излучения угольного забоя.

Для предотвращения выбросов используют такие средства, как: отработка защитных пластов, предварительная дегазация отрабатываемого пласта, взрывание камуфлетных зарядов в скважинах, разгрузочное бурение и гидроразрыв с применением разгрузочных скважин.

Для проходческих забоев разработана встроенная в проходческий комбайн гидравлическая установка QFZ-22 для разгрузочного бурения.

Система Tagging & Tracking фирмы Becker работает бесконтактно с активными импульсными приёмо- и передатчиками, которые укреплены в опасных зонах и в каске каждого горняка. При входе в опасную зону

77

сигнал поступает в банк данных компьютера в диспетчерской на поверхности. Представление и визуализацию осуществляют затем посредством централизованной системы слежения (CATS). Пользователь может вызывать на соответствующий дисплей детальную информацию о её носителе (имени работника и момент входа в опасную зону).

5.6. Принципы управления геомеханической безопасностью

Свыше 50% шахт и рудников РФ отрабатывают угольные пласты и залежи, опасные по выбросам и горным ударам. Поэтому при создании шахты/рудника к 2016 году в соответствии с этапами реализации «Долгосрочной программы развития угольнойпромышленности России на период до 2030 года» следует иметь компьютерные программы по управлению горным производством, функциональные модули которых учитывают неустойчивое геомеханическое состояние.

Инженерное обеспечение производства. Задачами этого блока являются: сбор и обработка геолого-маркшейдерской информации; анализ и разработка проектов ведения горных работ с целью снижения горного давления с применением положений:

- геологический блок – технологический блок; - движение забоев на σгор ;

-расходящиеся забои;

-первоочередная отработка защитных пластов, рудных слоёв;

-применение опережающей дегазации горизонтальными стволовыми скважинами с заходками на пласт для снижения газоопасности пластов;

-многоштрековая подготовка ярусов;

-отработка без целиков.

Особенности рудной добычи:

78

-очистные работы следует вести с опережением в центральной части месторождения;

-при отработке мощных залежей вкрест простирания выемку руды в этаже вести от лежачего бока залежи к висячему;

-при одновременной отработке смежных блоков, расположенных на разных уровнях, необходимо выдерживать расстояние между границами не менее 1,5Н (где Н – разность уровней приемных горизонтов смежных блоков);

-при разработке мощных рудных залежей очистную выемку в пределах этажа вести от центра к флангам, отрабатывая блоки шириной до 25 м последовательно либо через один на всю мощность месторождения;

-при отработке блоков второй очереди приемные горизонты следует располагать на 30-40 м ниже;

-применять 0,1 миллисекундное замедление при взрывных работах. Особенности угледобычи:

-осуществлять контроль за соответствием несущей способности мехкомплекса составляющим горного давления и длине лавы;

-пласты глобулярного строения отрабатывать короткозахватной выемкой;

-для пластов фибриллярного строения применять гидрообработку для вытеснения метана;

-при наличии тяжелой кровли применять щелевую разгрузку;

-производить заблаговременную дегазацию угольных пластов с доведением остаточной газоносности менее 8 м3/т.

79

6. Геомеханическое обеспечение инновационного потенциала угольных шахт и рудников

Инновационные процессы при подземной отработке угольных и рудных месторождений ничем не отличаются от таковых в других промышленных отраслях. Инновации в отечественной технике и технологии необходимы в той же мере, как адаптация инструментов повышения геомеханической устойчивости и безопасности, как управление и реализация непрерывного развития и, соответственно, как совершенствование организации работы шахты и рудника.

6.1. Инновационные процессы на угольных шахтах

Важнее угля нет ничего в энергетической стратегии России.

Премьер-министр РФ Д. А. Медведев

В настоящее время к угольной промышленности России предъявляют самые высокие требования. Чтобы играть конкурентоспособную альтернативную роль на мировом рынке, перед компаниями отрасли стоит цель оптимального ведения добычных работ при наименьших затратах как по управлению персоналом, так и в финансовом отношении.

Наряду с экономической составляющей разнообразие условий разрабатываемых месторождений предъявляет серьёзные технологические требования.

Достижение высоких нагрузок на лаву связано как с решением газогеомеханических задач по снижению газоносности пласта до 8м3/т, так и с выработкой оптимальных размеров длины лавы, межъярусных целиков, размеров литых полос и монтажных камер на концевых участках, с управлением поддержанием таким образом, чтобы препятствовать га-

80