CC BY
78
© B.C. Зыков, И.Л. Абрамов, 2013
УДК 622.831.1
B.C. Зыков, И.Л. Абрамов
ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ОПАСНОСТИ ПО ДИНАМИЧЕСКИМ ЯВЛЕНИЯМ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ
Выполнен обзор современных методов и средств геофизической диагностики динамических явлений в шахтах, применяемых для оценки свойств горного массива. Представлен анализ их применения в Кузбассе. Ключевые слова: прогноз динамических явлений, шахта, выработка, геофизические методы контроля.
Применению методов геофизической диагностики динамических явлений при подземной добыче полезных ископаемых большое внимание уделяется в США, Великобритании, Германии, Польше, России и Украине. За период многолетних исследований, выполненных ВНИМИ, ВостНИИ, МакНИИ, ИГД им. А.А. Скочинского, МГГУ и другими научно-исследовательскими институтами горного профиля разработаны методики и средства контроля состояния массива горных пород.
На практике применяются следующие геофизические методы: ультразвуковой, виброакустический, электрометрический, сейсмический, электромагнитного излучения массива [1].
Ультразвуковой метод используется для оценки напряженно-деформированного состояния породного массива и степени его трещиноватости.
Виброакустический метод используется для оценки состояния приконтурной зоны незакрепленных горных выработок и системы «крепь - породный массив».
Электрометрический метод применяется для оценки тре-щиноватости и гидрогеологии породного массива в окрестности горных выработок.
Сейсмический метод используется для выявления и картирования зон геологических нарушений и искусственных полостей в массиве.
Регистрация интенсивности естественного электромагнитного излучения используется для бесконтактного оперативного выделения участков с повышенным уровнем напряжений в массиве.
Разработана технология построения комплексных систем контроля состояния горного массива, контроля и прогноза удароопасности отрабатываемых угольных пластов для создания многофункциональных систем безопасности угольных шахт [2].
Система контроля безопасного состояния горного массива предусматривает возможность организации постоянного мониторинга геодинамических и техногенных процессов, сопутствующих подземной добыче, осуществления комплексной оперативной оценки геомеханического состояния горного массива в режиме реального времени, выполнения наиболее обоснованных и достоверных региональных и локальных прогнозов уда-роопасности угольных пластов и включает:
- систему наземного сейсмологического мониторинга и оптимизации схем размещения его регистрирующих элементов на примере сейсморегистрирующих комплексов «Байкал» (Геофизическая служба СО РАН);
- системы подземного сейсмологического мониторинга на основе сейсмических комплексов типа GITS (ВНИМИ);
- контроль деформаций земной поверхности в условиях скоростных режимов отработки лав и проявления динамических и дискретных форм сдвижения;
- подземный деформационный мониторинг с использованием датчиков дистанционного контроля;
- подземный геофизический мониторинг по системам пространственно позиционированных точек наблюдений.
Разработаны и применяются средства контроля свойств и состояния геотехнических систем в шахтном, искровзрывобе-зопасном исполнении: измерители скорости ультразвуковых волн ШУП-1, УК-ПРОГНОЗ, средства виброакустического контроля - спектроанализаторы ИСК-1Ш, СПЕКТР-1М, средства низкочастотной электрометрии ШИИС-3М1 и СЭР-1, прибор оценки механоэлектрических эффектов АНГЕЛ для регистрации электромагнитной и акустической эмиссии, средства регистрации электромагнитного излучения ШАИ-8, регистрации и измерения фотонной эмиссии ИФЭ-2м, реги-
страции сигналов акустической эмиссии СБ-32-М «Сапфир», шахтная электроразведочная аппаратура ШЭРС-5М, аппаратура сейсморазведки СШ12К, Geometries Es-3000, ARES-5/E.
В Кузбассе проводятся геофизические исследования с целью выявления аномальных тектонических зон и других участков изменения геомеханических характеристик для обеспечения безопасного ведения горных работ в шахтах [3]. На основе геофизических исследований и анализа данных геологоразведочных и эксплуатационных работ выявляются аномальные зоны, нарушения с интенсивно трещиноватыми неустойчивыми углем и вмещающими породами, зоны повышенного метановыделения. Разрабатываются рекомендации ведения очистных работ (скорость подвигания забоя с учетом состояния устойчивости кровли, шаг обрушения основной кровли, определение опасных зон по протяжению лавы, прогноз повышенного метановыделения, рост нагрузок на мехкрепь, появление заколов угля и породы и т.п.), предлагаются мероприятия по разупрочнению основной кровли пласта.
В качестве примера на рис. 1 приведена томограмма кажущегося электросопротивления участка лавы № 33 пласта XXVII шахты «Первомайская», полученная лабораторией предупреждения газодинамических явлений ОАО «Компания «Куз-бассуголь».
Измерения выполнены аппаратурой СЭР-1 (ВНИМИ) с применением дипольных методов электроразведки. Замкнутые красные поля соответствовали зонам повышенной трещинова-тости без выхода на плоскости обнажения пласта, в которых в большом количестве содержался свободный газ под высоким давлением. В этих зонах происходили газодинамические явления с разрушением призабойной части массива и интенсивным газовыделением в лаву.
Шахтными экспериментальными исследованиями [4] выявлены различия в проявлении активности электромагнитного излучения (ЭМИ) в опасных и не опасных по выбросам зонах (рис. 2).
Измерения активности ЭМИ выполнялись прибором «Вол-на-2» на двух каналах. Первый канал отсеивал импульсы ЭМИ амплитудой менее 2 мкВ, а второй - менее 20 мкВ.
б
паша 33 Ш Первомайская
Длина лавы, км
Рис. 1. Выявление участков геодинамической опасности при отработке лавы № 33 шахты «Первомайская» электрозондированием: а) томограмма изменения кажущегося электросопротивления участка лавы; б) шкала значений кажущегося электросопротивления
Номер измерения
Рис. 2. Изменение активности электромагнитного излучения в неопасной по выбросам зоне пласта 4 шахты «Новая» (1, 2) и выбро-соопасной зоне пласта XXI шахты «Первомайская (1', 2')» Кузбасса
Измерения показали, что в выбросоопасной зоне активность ЭМИ значительно выше, особенно ярко отличие этого показателя проявляется на втором канале, где количество импульсов п за фиксированное время 10 сек в выбросоопасной зоне изменяется от одного измерения к другому резкими скачками. Увеличение активности ЭМИ свидетельствует о том, что возрастает интенсивность образования трещин при упругом деформировании угля в области влияния выработки. Поскольку подавляющее большинство электромагнитных сигналов поступает из наиболее слабой потенциально выбросоопасной пачки, так как именно в ней, в основном, происходят деформации, а прочные пачки лишь передают на нее напряжения, можно утверждать, что высокоамплитудные импульсы соответствуют образованию квазипараллельных забою трещин, интенсивностью развития которых в наибольшей степени определяется выбросоопасность забоя. Эти трещины прорастают при значительно более упругих деформациях, чем трещины, направленные к забою.
Измерения активности ЭМИ, благодаря своей простоте и оперативности, перспективны для использования как при текущем прогнозе опасности по газодинамическим явлениям, так и при контроле эффективности способов их предотвращения.
Расширение области применение геофизических методов контроля при выполнении локального и текущего прогноза динамических явлений в шахтах путем оценки свойств и состояния призабойной части массива и горно-геологических условий ведения горных работ дает возможность повысить надежность и оперативность диагностики состояния горного массива.
1. Методическое пособие по комплексной геофизической диагностике породного массива и подземных геотехнических систем - Днепропетровск, ИГТМ HAH им. Н.С. Полякова HAH Украины, 2004. - 75 с.
2. Методические указания по созданию систем контроля состояния горного массива и прогноза горных ударов как элементов многофункциональной системы безопасности угольных шахт - С-Пб, НИИ ГГМД ВНИМИ, 2012. - 83 с.
3. Заключение о наличии аномальных тектонических зон и других участков изменения геомеханических характеристик кровли выемочного столба 347- бис пласта 3 ООО «Шахта Чертинская-Коксовая» - Кемерово, ООО «НТЦ Восточный», 2010. - 16 с.
4. Зыков B.C., Лебедев A.B., Сурков A.B. Предупреждение газодинамических явлений при проведении выработок по угольным пластам, 1997. -286 с. ГТТШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Зыков Виктор Семенович - доктор технических наук, профессор, заместитель директора по научной работе Института угля СО РАН, zykovvs@icc.kemsc.ru
Абрамов И.Л. - кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник лаборатории геодинамических явлений в шахтах Института угля СО РАН, аbramov@iuu.kemsc.ru
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
