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.