CC BY
32
© Д.В. Яковлев, Т.И. Лазаревич, А.Н. Поляков, 2015
УДК 622.831
Д.В. Яковлев, Т.И. Лазаревич, А.Н. Поляков
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ГОРНОГО МАССИВА НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА АКТУАЛЬНЫХ РИСКОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПОДЗЕМНОЙ ДОБЫЧИ
Обсуждаются вопросы организации комплексных систем контроля состояния горного массива в составе многофункциональных систем безопасности угольных шахт в соответствии с требованиями новой редакции ПБ [1]. Предлагаются решения по реализации новых требований на современном этапе и на перспективу построения интегрированных интеллектуальных систем контроля на основе анализа актуальных рисков и масштабных уровней контролируемых процессов.
Ключевые слова: системы контроля, мониторинг состояния массива, риски подземной добычи, безопасность подземных горных работ.
Установленные Роснадзором требования в части организации систем контроля состояния горного массива, как элемента многофункциональных систем безопасности угольных шахт, по существу меняют стратегию контроля безопасности, ориентируя её на построение современных интеллектуальных интегрированных систем контроля. В последние годы наиболее заметный прогресс при построении таких систем достигнут в создании автоматизированных систем сейсмического, сейсмоакустического и газового контроля, адаптированных под условия подземной горной среды. В этих системах наиболее полно реализованы технологий сбора, передачи и хранения информации, диспетчеризации функций контроля, визуализации картины изменения базовых параметров состояния горной среды.
Однако далеко не все проблемные вопросы геомеханики и геодинамики горной среды могут быть решены с использо-
ванием инструментов сейсмического и газового контроля. Большая часть актуальных рисков имеет несейсмическую природу, и требуют построения иных систем регистрации, в частности электрометрического и деформационного контроля, а в большинстве случаев - и специфических схем и режимов наблюдений. Наряду с «типовыми» формами рисков, присущими условиям практически каждой шахты, все чаще проявляют себя индивидуальные формы рисков, связанных со специфическими особенностями строения подземной горной среды и условиями эксплуатации предприятия.
В этой связи мы рассматриваем создание сейсмических и сейсмоакустических систем контроля лишь как первый шаг к построению эффективной многофункциональной системы контроля, которая в перспективе должна охватить гораздо более широкий спектр контролируемых параметров горной среды с широкой представительностью систем геофизических, деформационных наблюдений по актуальным для предприятий формам рисков подземной добычи.
На основе выделенных для условий Кузбасса 20 преобладающих форм рисков в табл. 1 представлены соответствующие этим рискам базовые направления контроля состояния горного массива, основанные на природе геодинамических, геомеханических и газодинамических процессов. Как видно из таблицы, большая часть преобладающих рисков предполагает использование несейсмических средств наблюдений.
К приоритетным задачам таких систем мы относим контроль за формированием и границами распространения зон повышенного горного давления (ЗПГД), оценку степени защитного действия ранее отработанных пластов, контроль поддерживающей и ограждающей способности целиков, устойчивости пород кровли (особенно вблизи геологических нарушений и на выходах пластов под наносы) и др.
Методические вопросы построения целевых систем контроля для каждого из перечисленных в таблице рисков ранее рассматривались в методических работах ВНИМИ. В настоящее время решается задача построения интегрированных систем многопараметрического контроля горной среды по всем выше перечисленным актуальным рискам на основе
накопленной ВНИМИ базы знаний и использования технических возможностей современных информационных, телекоммуникационных систем. Интегрирование их в базовую систему контроля планируется на основе «встраивания» в уже разработанные и функционирующие системы GITS, АСКГД.
Исходя из имеющегося опыта построения систем контроля на многочисленных горнодобывающих объектах РФ, ВНИМИ выработаны стандартные условия их рационального конструктивного исполнения и эффективного функционирования, обеспечиваемого оптимальными (по составу и объемам) конфигурациями сетей, а также рационально скомплектованным составом и оснащением входящих в эти системы элементов. В общих случаях они предусматривают:
• трехуровневое построение систем контроля с обеспечением на этих уровнях, соответственно, региональных, зональных и локальных оценок мер рисков;
• обеспечение режима непрерывной регистрации
(для локального прогноза - периодической регистрации) контролируемых процессов и параметров;
• обеспечение адаптационного режима настройки и функционирования систем контроля с учетом изменяющихся горно-геологических и горнотехнических условий их эксплуатации;
• обеспечение аппаратурной совместимости подсистем;
• диспетчеризацию функций контроля с визуализацией регистрируемых процессов и параметров и передачей их непосредственно в базы данных технических служб;
• «обучаемый» режим функционирования систем,
обеспечивающий условия постоянной наработки и уточнения критериев для оценки характера и мер рисков (уда-ро- и выбросоопасности).;
• разработку алгоритма принятия решений по обобщенным параметрам проводимого мониторинга;
• обеспечения научного сопровождения функционирования систем и метрологического контроля используемых в нем технических средств контроля;
Таблица 1
Основные направления контроля состояния горного массива при осуществлении подземной добычи угля на шахтах Кузбасса, основанных на природе геодинамических, геомеханических и газодинамических процессов
Формы контроля Природа процессов Система контроля
1. Контроль удароопасного состояния угольных пластов Геомеханическая, геодинамическая Сейсмическая Геофизическая Геомеханическая
2. Контроль за развитием роевых потоковых сейсмических явлений (сейсмические активизации) Сейсмическая Сейсмическая
3. Выявление зон слабоэнергетической микросейсмической активности (для целей регионального прогноза)
4. Контроль процессов массового обрушения кровли (в том числе динамических) Геомеханическая Сейсмическая
5. Контроль периодичности посадки основной и непосредственной кровли (периодов зависания и задержки обрушения) Геомеханическая Сейсмическая
6. Воздействие крупных промышленных взрывов Геомеханическая Сейсмическая
7. Контроль выбросоопас-ности пластов и газодинамических явлений Газодинамическая Сейсмическая Геофизическая
8. Контроль эффективности применения профилактических мер предотвращения горных ударов и внезапных выбросов Геомеханическая Сейсмическая Геофизическая Деформационная
9. Контроль за формированием и границами распространения ЗПГД и защищенных зон от первоочередной отработки выше- и нижележащих пластов угля Геомеханическая Геофизическая
Окончание табл. 1
Формы контроля Природа процессов Система контроля
10. Контроль положения границ подработки подземных выработок и охраняемых объектов на земной поверхности Геомеханическая Деформационная
11.Комплекс контрольных маркшейдерских наблюдений за ответственными объектами эксплуатации (профилировки стволов, нивелировки подкрановых путей и др.)
12.Контроль развития процессов провалообразования Геомеханическая Деформационная
13.Контроль за водонепроницаемостью целиков по границам смежных затопленных выработанных пространств Гидрогеологическая Геофизическая
14.Контроль поддерживающей способности целиков Геомеханическая Геофизическая Деформационная
15.Прогноз нарушенности пластов «скрытыми» разрывными нарушениями Инженерно-геологическая Сплайн анализ
16.Контроль за развитием деформирования крепи Геомеханическая Деформационная
17.Контроль пучения почвы выработок Инженерно-геологическая Деформационная
18.Контроль опасности возникновения прорыва глин на участках подземных горных работ Инженерно-геологическая Геофизическая Деформационная
19.Контроль развития опасных геомеханических процессов вблизи крупных разломов Геомеханическая Геофизическая Деформационная
20.Контроль за состоянием выработок в опасных зонах на выходах пластов под наносы Инженерно-геологическая Геофизическая Деформационная
Одним из важнейших условий эффективного функционирования системы контроля по перечисленным в таблице рискам, является учет масштабного фактора при построении схемы наблюдений, обеспечивающего достаточную информативность комплекса регистрируемых параметров в рамках контролируемого процесса. Как показывает опыт, недостаточно представительный объем области контроля, либо напротив — избыточно охватываемый в усредненных параметрах участок недр, не способны обеспечить должную информативность и эффективность создаваемой системы контроля для адекватной оценки уровней контролируемых рисков.
На рис. 1 представлена диаграмма классификации масштабных рангов областей контроля состояния массива по указанным в таблице формам рисков с использованием концепции масштабного ранжирования геологических структур, предложенной Я.Б. Фридманом, М.В. Рацем, Ю. А. Косыгиным и др. [2]. Представляя область развития негативных процессов в горной среде, как специфический элемент её неоднородности, формирующий риски проявления аварийных ситуаций, можно оценить оптимальные размеры области контроля, обеспечивающие максимальную эффективность оценки динамики происходящих в этой области негативных процессов.
В соответствии с рекомендованными М.В. Рацем методическими подходами [2], размеры эффективной области контроля V («области эксперимента» [2] с.20) должны находиться в диапазоне от 0,1и до 10и, где и - размер области геологической среды («определяющей области эксперимента» [2]), в которой происходят или могут происходить негативные процессы. Регистрируемые системой контроля параметры состояния горного массива, усредненные для его слишком малых объемов (менее, чем 0,1Ц) будут в высокой степени зависимы от неоднородности свойств массива. Ввиду их вероятностного характера и низкой достоверности, они не обеспечат должного уровня информативности об уровне рисков.
Системы контроля, охватывающие более крупные, чем 10и элементы массива также окажутся неэффективными, поскольку регистрируемые ими параметры будут усреднены на более крупных объемах геологической среды, чем область развития кризисных процессов.
Как следует из диаграммы рис. 1, масштабные ранги представленных в нейрисков охватывают весьма широкий диапазон размеров представительных областей от нескольких метров (деформации крепи, куполение кровли) до сотен и даже тысяч метров (зоны сейсмических активизаций, мульды сдвижения). Для учета масштабного фактора, ВНИМИ разрабатываются трехуровневые системы контроля, объединяющие подсистемы регионального, зонального и локального контроля с решением сопутствующих геомеханических задач безопасной добычи по указанным масштабным уровням.Такая модель организации контроля состояния горного массива заложена в действующую «Инструкцию...» по горным ударам и реализована на практике на лидирующих в решении проблемы горных ударов горнодобывающих объектах России (рудники Кольского полуострова, СУБРа, Норильского ГМК, Горной Шории).
К задачам регионального контроля, относятся задачи контроля состояния недр в районе горного отвода и его окрестностей, влияния крупных региональных и транзитных землетрясений на состояние безопасности подземных горных работ. Вопросы сейсмической безопасности угольных шахт приобрели особую остроту в периоды резкой активизации сейсмических процессов на территориях шахтерских городов Кузбасса, охвативших с 2005 по 2013 гг. города Полы-саево, Осинники, Бачаты. Размеры зон сейсмических активизаций периодически «разрастаются» с удалением от эпицен-тральной зоны до 20 км, поэтому эффективно могут контролироваться только наземными сейсмологическими комплексами, с высокой надежностью локации очагов на указанном удалении.
К задачам зонального контроля отнесены задачи контроля за развитием крупномасштабных процессов на отрабатываемых пластах, охватывающих площади выемочных столбов лав, междупластий отрабатываемых пластов, выработанных пространств, уклонных полей и т.д. Характерным примером являются процессы сдвижения пород над выработанным пространством отрабатываемых лав и периодические посадки основой и непосредственной кровли, индуцирующие сопутствующие явления.
П^ЦиОлЛД&ДЛЦПМ |i*-:iriHjihi иПич1-|-нй и h их
правд ссое,по укшаннпгс e тлбпивд фермам риско1,1")я
Рис. 1. Установление размеров областей эффективного контроля состояния массива по указанным в таблице формам рисков для многофункциональной системы безопасности угольных шахт: Р —
частости линейных размеров области U, % (пояснение в тексте); I, II, III — масштабные ранги областей массива, размеры которых, соответственно, составляют 1-10 м, 10-100 м и более 100 м
Как известно, в самом механизме сдвижения пород заложены многие ключевые особенности сценария формирования зон повышенного горного давления, газодинамики пластов, ударо-опасности, пожароопасности, провалообразования, прорывов глин и других негативных процессов. Часть из них проявляются уже в стадии зарождения процесса сдвижения (зависания кровли, формирование избыточных опорных нагрузок, формирование ЗПГД), другие проявляются лишь на стадии его завершения (выход на поверхность зоны трещин и разрывов, провалообра-зование, развитие дискретных деформаций в мульде сдвижения, в том числе деформаций оснований охраняемых объектов и др.). Рассматриваются перспективы организации таких систем на основе использования современных технологий дистанционного зондирования земной поверхности, использования интер-ферометрических схем наблюдений и др., которые могут быть интегрированы в систем контроля состояния массива в составе многофункциональных систем безопасности.
К задачам локального контроля отнесено выполнение контроля состояния краевых частей массива непосредственно в рабочих зонах отрабатываемых пластов (забой лавы, выработки, элементы крепи, отслоения кровли), с оценкой характера распределения нагрузок, рисков разрушения элементов систем разработки, крепи выработок, потери устойчивости обнажений горного массива и др. Для решения этих задач традиционно используются системы деформационного и геофизического мониторинга ударо- и выбросоопасности краевых частей массива, целиков а также деформирования ответственных конструктивных элементов систем разработок и развития, связанных с ними негативных геомеханических процессов.
Детально цели и задачи локальных систем контроля изложены в сборнике нормативных документов «Предупреждение газодинамических явлений в угольной отрасли». Реализация их в многофункциональных системах безопасности предполагает обеспечение получения и передачи централизованных потоков оперативной информации о безопасном состоянии участка недр, её постоянной доступности для структур реагирования и принятия решений.
В табл. 2 представлена классификация по масштабным признакам элементов систем контроля и состав решаемых с их помощью задач мониторинга горной среды.
Таблица 2
Функциональные характеристики систем регионального, зонального и локального контроля состояния массива в составе многофункциональной системы безопасности
Масштабный ранг и цель мониторинга Тип сети подсистемы Основные задачи мониторинга
I Региональный контроль Региональные и шахтовая наземная сейсмологическая сеть контроль влияния транзитных землетрясений на состояние массива и сооружений подземного комплекса; контроль состояния сейсмической и геодинамической активности смежных шахтных полей (в том числе затопленных) регистрация местных сейсмических событий в окрестностях месторождения.
II Зональный контроль Наземная и подземная сейсмологические сети, системы геофизического и деформационного мониторинга контроль за развитием зон сейсмических активизаций на территории горного отвода; контроль за развитием процессов сдвижения пород и состоянием подрабатываемых охраняемых объектов; контроль за режимом первичной и последующих посадок основной и непосредственной кровли; выделение зон повышенного уровня горного давления на участках планируемого и осуществляемого развития горных работ (перспективный прогноз).
III Локальный контроль Системы непрерывного деформационного мониторинга и режимных геофизических наблюдений оценка степени удароопасности краевых частей массива и целиков; оценка эффективности применяемых мер профилактики горных ударов и внезапных выбросов; установление границ влияния ЗПГД и зон разгрузки; выявление участков интенсивного расслоения кровли; проведение геофизического обследования оконтуренных комплексно-механизированных забоев (лав) с целью выявления аномальных тектонических зон и других участков изменения геомеханических характеристик кровли; контроль за качеством установки и состоянием анкерной крепи.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Правила безопасности в угольных шахтах. ПБ 05-618-03.
2. РацМ.В. Структурные модели в инженерной геологии - М.: Недра, 1973.
3. Яковлев Д.В., Лазаревич Т.П., Поляков А.Н., Мулев С.Н. Концепция построения систем контроля состояния горного массива как элемента многофункциональной системы безопасности угольных шахт. Сб. научн. трудов ВНИМИ - СПб.:ВНИМИ, 2012, с.7-17. ИШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Яковлев Дмитрий Владимирович — доктор технических наук, профессор, генеральный директор, yakdv@hotmail.com,
Лазаревич Тамара Ивановна — кандидат технических наук, директор Кемеровского Представительства, старший научный сотрудник, ti_lazarevich@mail.ru, Поляков Александр Николаевич — кандидат технических наук, Заведующий лабораторией геодинамики, poliakov_an@mail.ru, ОАО «ВНИМИ».
UDC 622.831
THE PRINCIPLES OF CREATION OF MONITORING SYSTEMS OF THE CONDITION OF THE MASSIF ON THE BASIS OF THE ANALYSIS OF ACTUAL RISKS OF IMPLEMENTATION OF UNDERGROUND PRODUCTION
Yakovlev D. V., doctor of technical Sciences, Professor, General Director, yakdv@hotmail.com JSC "research Institute", Russia,
Lazarevich T.I., candidate of technical Sciences, Director of the KEMA-rulskogo Offices, senior researcher, ti_lazarevich@mail.ru JSC "research Institute", Russia, Polyakov A.N., candidate of technical Sciences, Head of laboratory of geodynamics, polia-kov_an@mail.ru JSC "research Institute", Russia.
Discussed questions are devoted to organization of mine massive conditions control complex systems in contain of coal mines safety control multifunctional systems according to the requirements of the last publication of Safety Rules [1]. Decisions are offered of new requirements realization on the modern stage and for the perspective of integrated intellectual control systems building (on the base of actual risks and controlled processes levels analisis).
Key words: systems of control, massive conditions monitoring, underground mining risks, underground mining safety.
REFERENCES
1. Pravila bezopasnosti v ugol'nyh shahtah (Safety rules in coal mines). PB 05-618-03.
2. Rac M.V. Strukturnye modeli v inzhenernoj geologii (Structural models in engineering geology). Moscow: Nedra, 1973.
3. Jakovlev D.V., Lazarevich T.I., Poljakov A.N., Mulev S.N. Koncepcija postroenija sistem kontrolja sostojanija gornogo massiva kak jelementa mnogofunkcionalnoj sistemy bezopasnosti ugol'nyh shaht (The concept of building control systems as a condition of the rock mass element multifunctional system coal mine safety). Sb. nauchn. trudov VNIMI. SPb.:VNlMl, 2012, pp.7-17.
