Прогнозирование горных ударов

 

Прогнозирование вероятности горных ударов и выбросов начинается с определения критической глубины, ниже которой горные удары возмож­ны. Анализ уравнений энергетического баланса показывает, что возмож­ность горного удара зависит от напряженного состояния массива и свойств пород. В общем случае разрушение породы не происходит, если дейст­вующие в массиве напряжения меньше его прочности

(9.13)

где - коэффициент концентрации напряжений; - величина тектониче­ских напряжений; - коэффициент структурного ослабления.

Отсюда критическая глубина разработки, при которой возможны горные удары

(9.14)

Для различных регионов критическая глубина составляет 150-400 м. В настоящее время более 40 месторождений страны разрабатываются на глубинах ниже критической и официально отнесены к угрожаемым по горным ударам. Однако реализуется или нет горный удар на глубине больше критической, зависит от свойств пород. Действительно, не каждая горная порода способна накопить достаточную для удара упругую энер­гию. Потенциально удароопасными считаются горные породы, при нагружении которых до 80 % от их прочности доля упругих деформаций пре­вышает 70 % от общих , или работа упругих деформаций боль­ше работы пластических.

Если установлено, что ниже критической глубины залегают потенци­ально удароопасные породы, то осуществляется региональный прогноз горных ударов. Наиболее информативным является сейсмический метод, позволяющий вести непрерывный контроль изменения напряженного со­стояния массива в процессе развития горных работ. При этом на поверхности организуется сейсмическая станция, а в выработках различных го­ризонтов и блоков месторождения-сейсмические посты. На каждом из по­стов устанавливаются трехкомпонентные системы датчиков сейсмических колебаний. Датчики с помощью кабельных линий соединены с поверхно­стным контрольно-передающим пунктом шахты, откуда сигнал по кабель­ной линии или радиоканалу передается на центральную сейсмостанцию. В основе сейсмического метода лежит регистрация кинетических и динами­ческих параметров упругих сейсмических волн, возбуждаемых горными ударами и другими подвижками массива. Исследование упругих колеба­ний производят в инфразвуковом диапазоне частот (0,5-50 Гц), что позво­ляет охватывать наблюдениями шахтные поля в целом на базах от 1 до 6 км. С помощью регионального прогноза удается фиксировать микроудары в напряженном массиве с энергией от 50 Дж. По длительности ударной волны оценивается энергия горного удара. Анализ частотных характери­стик волны позволяет отделить непосредственно удары от технологиче­ских помех, например взрывных работ. На основе этого составляются кар­ты сейсмической активности участков месторождения.

Для осуществления локального прогноза на шахтах организуется специальная служба прогнозирования и профилактики горных ударов (ППГУ). В общем случае локальный прогноз состоит в определении кри­терия удароопасности для конкретных выработок и участков месторож­дения. По величине выделяются три категории удароопасности.

I категория - с повышенной опасностью горных ударов. Выработки должны быть немедленно приведены в неудароопасное состояние, причем обязательны дополнительные меры предосторожности, обеспечивающие безопасность людей; горные работы ведутся по специальной технологии.

II категория - опасные по горным ударам. Выработки должны быть приведены в неудароопасное состояние, горные работы ведут по обычной технологии.

III категория - не представляющие непосредственной опасности гор­ных ударов. Специальных мер не применяется, но текущий прогноз ударо­опасности осуществляется.

В сущности, определение удароопасности сводится к измерению на­пряженного состояния массива и оценке изменения этих напряжений в ок­рестности горной выработки. Применительно к прогнозированию горных ударов и выбросов могут использоваться следующие методы.

Метод дискования кернов заключается в колонковом бурении пере­довой скважины и извлечении керна. Данный метод, в сущности, модели­рует условия возникновения горных ударов, только в выработке малого размера (скважине), и поэтому без их катастрофических последствий. О степени удароопасности массива судят по характеру разрушения керна, т.е. по числу выпукло-вогнутых фрагментов извлекаемого керна (дисков) на единицу длины.

Метод вдавливания пуансона (штампа) базируется на качествен­ной и количественной зависимости контактной прочности пород от вели­чины действующих в массиве напряжений. При напряжениях, близких к предельным, т.е. тогда, когда массив переходит в удароопасное состояние, контактная прочность пород уменьшается. Это объясняется тем, что внешние напряжения способствуют разрушению пород под штампом, со­ответственно уменьшая необходимые усилия вдавливания пуансона. Вели­чина снижения контактной прочности пород является критерием ударо­опасности.

Электрометрический методзаключается в измерении электриче­ского сопротивления горного массива контактным или бесконтактным способом. В первом случае измеряется разность потенциалов между двумя электродами, установленными на контуре выработки. При бесконтактном способе электросопротивление вычисляется по измеренным диэлектриче­ским свойствам массива. О категории удароопасности судят по отноше­нию электросопротивления горного массива вне зоны влияния выработки к этой же величине в зоне опорного давления с максимальной величиной напряжений. Метод основан на уменьшении электросопротивления пород с ростом величины горного давления.

Электрометрический метод прост в реализации, но очень часто дает малонадежные результаты. Это связано с высокой чувствительностью электропроводности к влажности пород и расположению трещин в масси­ве. Кроме того, метод не может применяться при наличии в массиве блуж­дающих токов, вблизи контактных проводов, металлических трубопрово­дов и т.п.

Акустический метод основан на измерении скорости распростране­ния упругих продольных волн в напряженном массиве. Метод прост в реа­лизации, дает надежные результаты при измерениях в ультразвуковом диапазоне частот. Возможность измерения скорости волны по разным на­правлениям в массиве позволяет оценить распределение и величину на­пряжений в породах вокруг горной выработки. Однако «прозвучивание» массива на больших базах возможно лишь в достаточно прочных, ненару­шенных породах.

Метод акустической эмиссии. Активное образование трещин и их рост в напряженном массиве сопровождается возникновением упругих импульсов (щелчков). Причем, чем выше напряжение, тем больше интен­сивность и амплитуда импульсов. Метод акустической эмиссии основан на измерении характеристик этих естественных акустических сигналов. Удароопасность оценивают по отношению интенсивности акустических сиг­налов в контролируемом массиве и естественным фоном «спокойного» массива. Основной задачей при использовании метода является увеличе­ние его помехоустойчивости. Например, измерения целесообразно прово­дить не ранее чем через 1 час после взрывных работ, т.е. после затухания всех процессов, связанных с взрывом.

Метод электромагнитной эмиссии. Зарождение трещин сопровож­дается образованием на ее берегах разноименных зарядов. В процессе рос­та трещины ее берега раздвигаются, что эквивалентно увеличению рас­стояния между обкладками плоского конденсатора и, следовательно, росту электрического потенциала. На определенной стадии происходит пробой промежутка, сопровождающийся электромагнитным излучением. Дли­тельность импульсов - порядка микросекунд. В предударной стадии число таких импульсов достигает критической величины. На измерении этого эффекта и основан метод электромагнитной эмиссии.

Основным преимуществом метода является малая трудоемкость и высокая технологичность, обусловленная возможностью приема сигналов с помощью антенны без контакта с массивом. Данный метод эффективен в породах с низкой электропроводностью. Главный недостаток метода - низкая помехоустойчивость.

Метод оценки трещиноватости пород. Существо метода состоит в том, что характер и степень трещиноватости существенно меняются по мере изменения напряженного состояния массива в процессе проходки выработок в зоне влияния очистных работ. В забое и стенках выработки по мере ее продвигания фиксируется трещиноватость, производится построе­ние круговых диаграмм (розы трещин) и изолиний густоты трещин. Для применения метода необходимо предварительное глубокое изучения строения массива и его геотектоники.

В настоящее время проводится работа по совершенствованию ука­занных методов прогнозирования горных ударов и выбросов. Кроме того, разрабатываются новые методы, например, по выходу пыли при бурении шпуров, на основе анализа работы буровых станков и др. Широко распро­страненным является визуальный метод прогноза, который в большей сте­пени основан на практическом опыте горных рабочих, чем на теоретиче­ских результатах. Так, первым признаком надвигающегося горного удара является потрескивание массива, шелушение и «стреляние» пород. Одним из признаков повышенной удароопасности считается возникновение неоп­равданно больших «переборов» - превышения фактического сечения вы­работок над проектным. Это объясняется тем, что в момент взрыва происходит микроудар, сопровождающийся разрушением дополнительного объ­ема породы.

Вопрос применения того или иного метода прогнозирования горных ударов и выбросов для конкретных условий должен решаться на основе изучения свойств и строения массива, особенностей горной технологии. Представляется целесообразным использование комплекса методов, обес­печивающих большую надежность прогноза.