Анализ спообов и средств прогноза и предотвращение внезапных выбросов угля и газа на угольных шахтах Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.272.633

М.К. Ларин

Сибирский государственный индустриальный университет

АНАЛИЗ СПОСОБОВ И СРЕДСТВ ПРОГНОЗА И ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСОВ УГЛЯ И ГАЗА НА УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ

Актуальность исследований методов прогноза участков угольных пластов, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа, состоит в относительно высокой вероятности возникновения инцидентов и аварий, связанных с газодинамическими проявлениями горного давления. По результатам анализа заключений комиссий по расследованию несчастных случаев на шахтах в Кузнецком бассейне зарегистрировано 271 газодинамическое явление.

Подземный геофизический мониторинг на участках проводимых горных выработок осуществляется по схемам продольного электропрофилирования и дипольного электромагнитного зондирования. Мониторинг выполняется на опасных пластах и пластах, подвергнутых угрозе внезапных выбросов, с периодичностью, предписываемой «Инструкцией...» по внезапным выбросам [1].

Геофизические наблюдения осуществляются с помощью аппаратурных комплексов типа АЭШ, «АНГЕЛ» [2], которые позволяют регистрировать импульсные электромагнитные излучения в горном массиве на различном удалении от обнажений угольного пласта (бесконтактный метод) с целью прогноза напряженного состояния массива, выбросоопасности и установления признаков дискретного строения угольного пласта и вмещающих пород. Прогнозные оценки осуществляются по структуре распределения аномалий потенциальных электрических полей, выявляемых в краевых частях пласта и кровле выработок.

Признаками нестабильного состояния недр и состояний повышенного геодинамического риска в указанных зонах являются:

1 - участки нестабильных (во времени) значений импульсного электромагнитного излучения, выявляемые по сериям режимных или повторных наблюдений;

2 - участки локально проявленной аномально высокой интенсивности излучения;

3 - участки резких контрастных перепадов регистрируемого излучения на смежных точках профиля.

Предложенные схемы размещения датчиков систем деформационного мониторинга предусматривают возможность их демонтажа и пере-

установки на участки формирующихся геомеханических рисков.

Наблюдения по схеме электромагнитного профилирования представляют собой серии периодически повторяющихся измерений интенсивности и величины естественного импульсного электромагнитного излучения, исходящего из массива горных пород. Излучение регистрируется в замерных точках, равноотстоящих друг от друга на расстоянии 10 м вдоль оси горных выработок. С помощью указанных аппаратурных комплексов типа АЭШ, «АНГЕЛ» регистрируются источники природных и наведенных импульсных электромагнитных излучений (к которым относятся и сместители геодинамически активных нарушений) на удалениях до 50 м от точек регистрации.

Метод оценки геомеханического состояния горного массива при помощи инструментальных геофизических наблюдений аппаратурой АЭШ-1 основан на зависимости электропроводности горных пород от величины горного давления (напряженного состояния пласта), степени расслоения и трещиноватости. В основе такой оценки лежит зависимость амплитуды электромагнитного поля от удельной электропроводности горных пород.

Напряженность массива оценивается по величине относительного параметра Е, равного соотношению амплитуд регистрируемых электромагнитных импульсов соответственно в плоскости, перпендикулярной оси выработки (Ухх), в направлениях бок - бок (Ууу) и кровля -почва {yzz). Отношение амплитуд Ухх/Ууу характеризует напряженное состояние и нарушен-ность пласта впереди лавы (в боках выработки), отношение амплитуд Ухх/Угг характеризует напряженное состояние и нарушенность пласта кровля - почва

При каждом единичном измерении комплексами АЭШ, «АНГЕЛ» обе рамочные антенны (приемная и передающая) поочередно устанавливаются в трех положениях: в плоскостях ТХ, ТУ, ХУ. При этом направление излучаемого и регистрируемого сигналов одновременно на обеих антеннах ориентируется поочередно в направлении плоскости пласта ТХ, в воздушное пространство выработки ТУ и в кровлю пласта ХУ.

Положение антенны вдоль оси выработки (в плоскости Л) используется для регистрации «эталонного» уровня излучения в данной измерительной точке и при конкретной величине разноса рамочных антенн. По методике численное значение эталонного уровня излучения используется для получения безразмерных параметров регистрируемых сигналов из пласта и кровли. Этот «базовый» уровень учитывает геометрический разнос установки и соответствующую ему среднюю электропроводимость вмещающей геологической толщи.

На рисунке представлена типовая схема проведения геофизического обследования для организации контроля за геомеханическим состоянием угольного пласта и пород кровли оконтуренных выемочных участков системы разработки угольных пластов длинными комплексно -механизированными забоями с целью оценки удароопасности пласта, а также выявления аномальных тектонических зон и других участков изменения геомеханических характеристик кровли.

Область контроля в типовой схеме охватывает приконтурную часть выемочного столба со стороны конвейерного и вентиляционного штреков, а по возможности - и со стороны монтажной камеры и промежуточных печей [4]. Профильные линии прокладываются по протяженности всего выемочного столба или на его каком-либо про-

блемном участке (например, в районе зон повышенного горного давления (ЗПГД), участках пересечения крупного геологического нарушения, при подходе очистного забоя к передовой выработке и др.)

Профильные линии состоят из совокупностей чередующихся по протяженности выработок микропрофилей длиной до 30 - 40 м. Каждый профиль представляет собой один пункт измерений. Среднее расстояние между пунктами измерений (центрами микропрофилей) составляет 50 - 60 м, однако на проблемных участках это расстояние может быть уменьшено до 10 - 15 м, и, соответственно, увеличено до 100 м на спокойных участках. Первичный цикл наблюдений проводится в период пуска очистного забоя в эксплуатацию и осуществляется по всему периметру выемочного столба. Вторичные наблюдения могут проводиться лишь на участках с наиболее сложной геомеханической обстановкой: перед первым обрушением пород основной кровли, в ЗПГД, на участках проявления горного давления, вблизи геологических нарушений, при подходе к передовой выработке, в межлавном целике и в опасных зонах. Перечень и очередность участков наблюдений утверждает главный инженер предприятий. Программа наблюдений включается в состав «Комплекса мер по борьбе с внезапными выбросами при отработке угрожаемых и опасных пластов» на очередной год.

Вскрывающие наклонные стволы, (бремсберги, уклоны)

: Вентиляционный

: Пункт зондирования : пласта и пород кровли

—, ш штрек

<< ^^К

Конвеер!

Конвеерный штрек

Проектируемые лавы

Типовая схема размещения пунктов геофизического мониторинга при оценке геомеханического состояния подготовленного или отрабатываемого выемочного участка с использованием аппаратуры бесконтактного зондирования типа АЭШ-1 [2]

При проведении измерений на каждой замерной точке проводится позиционирование точек микропрофиля с привязкой их к имеющимся пикетам или с разбивкой отдельной сети привя-зочных точек геофизических наблюдений и их маркировка по единому правилу для всех участков наблюдений. Закрепление точек должно обеспечить возможность выполнения повторного (либо любого очередного) замера при максимально близком к начальному положению антенн (в пределах погрешности 0,2 - 0,4) как вдоль профиля, так и в сечении выработки (как правило - с соблюдением одинаковой удаленности антенн от боков выработки).

Необходимо тщательно контролировать одновременное изменение пространственного положения принимающей и излучающей рамочных антенн с поочередной ориентацией их в плоскостях ХТ, УТ, ХУ. Указанная выше точность позиционирования антенн вдоль микропрофилей (не ниже 0,2 - 0,4 м) диктуется необходимостью соблюдения однотипных условий проведения начальных и всех последующих циклов измерений.

Контроль за состоянием массива в методическом плане предусматривает отслеживание динамики изменения параметров геомеханического состояния пласта и пород кровли в выбранных точках регистрации. Мерой их изменения является величина расхождения уровня регистрируемого сигнала в каждой из этих точек в первичной и последующих сериях наблюдений. Этим и объясняются требования к обеспечению наиболее точного позиционирования точек наблюдений, не превышающего указанной выше предельной погрешности.

Технология проведения наблюдений заключается в осуществлении однотипных измерительных процедур на каждой замерной точке, включающих в себя операции измерений излучаемого и регистрируемого сигналов соответственно при разносе излучающей и регистрирующей антенн от центра на расстояния 1, 2 и до 17 - 20 м. При выполнении замеров в призабойной части выработок осуществляется разнос лишь одной из антенн от забоя выработки в сторону ее устья при неизменном положении второй антенны.

Многолетними исследованиями ВНИМИ [1] обоснованы критерии оценки напряженного состояния массива горных пород. Так, по значению показателя Е < 1,0 выделяется разгруженная, преимущественно трещиноватая зона в краевых частях пласта в зонах геологических нарушений. Значение показателя Е = 0,07 0,12 соответствует высокому уровню напряженного состояния, при котором фиксируется категория «ВЫБРОСООПАСНО». Значение показателя Е = 0,13 0,20 соответствует

пограничному уровню напряжений (переходу от категории «НЕОПАСНО» к категории «ОПАСНО»). Значение показателя Е = 0,20 указывает на плотное, но слабонапряженное (невыбросо-опасное) состояние пласта. Измерения аппаратурой АЭШ-1 проводятся в режимах дипольного электромагнитного зондирования.

Таким образом, на основании результатов проводимых наблюдений выявляются зоны различного геомеханического состояния угольного пласта, разделяемые по диапазонам численных значений показателя Е Выделяются зоны пяти описанных выше качественных состояний пласта и пород кровли, включая три типа зон напряженного состояния (то есть зон аномально высоких, повышенных и умеренных напряжений), а также зоны двух уровней нарушенности углей пласта и пород основной и непосредственной кровли (зон повышенной трещиноватости и наличия крупных расслоений соответственно).

Зонирование пласта по указанным признакам изменения его свойств и состояния осуществляется посредством построения графиков и диаграмм распределения показателей Е в указанных диапазонах. На графиках зонирования пласта в различных цветовых гаммах выделяются зоны преобладания опасных, повышенных и умеренных напряжений, а также зоны повышенной трещиноватости и расслоений угольного пласта и пород кровли.

Существенным недостатком геофизических методов в современных угольных шахтах является необходимость остановки работы машин и оборудования, так как возникающие «шумы» не позволяют разделить сигналы от технологических процессов и импульсов массива горных пород при дезинтеграции угля и пород; а остановка работы машин и оборудования приводит к существенным экономическим убыткам.

В этой связи актуальной является научно-практическая задача создания способов и средств мониторинга состояния массива горных пород без остановки технологических процессов. Для решения этой задачи необходимо продолжить начатую работу.

Выводы. На основе проведенного анализа области применения и получаемых результатов измерений геофизическим способом установлено, что объем и качество получаемой в шахтных условиях информации достаточны для разработки и реализации мероприятий, обеспечивающих профилактику внезапных выбросов угля, породы и газа. Актуальной является научно-практическая задача разработки способов и средств мониторинга состояния массива горных пород без остановки технологических процессов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Предупреждение газодинамических явлений в угольных шахтах. Сборник научно-нормативных документов. Научно-технический центр по безопасности в промышленности. - М.: Госгортехнадзор России, 2004. - 50 с.

2. Поляков А.Н., Мулев С.Н. Системы контроля состояния горного массива: методические указания по созданию систем контроля состояния горного массива и прогноза горных ударов как элементов многофункциональной системы безопасности угольных шахт. -Санкт-Петербург: Научно-исследовательский

институт геомеханики и макшейдерского дела, 2012. - 82 с.

3. Дегазация метаноносных угольных пластов и вмещающих пород на шахтах Кузбасса. История, действительность, будущее / А.В. Ремезов, В.Г. Харитонов, А.И. Жаров и др. -Кемерово, 2012. - 848 с.

4. Трубецкой К.Н. Прогноз и предотвращение опасных газопроявлений при разработке угольных месторождений: Сб. статей / Под ред. К.Н. Трубецкого. - М.: Институт проблем комплексного освоения недр, 2011. -131 с.

© 2018 г. М.К. Ларин Поступила 3 сентября 2018 г.