CC BY
24Ой!:
УДК 553.04:622.013:622.013.36
ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ИЗУЧЕННОСТЬ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КАК ФАКТОР ПОВЫШЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
Писаренко Марина Владимировна - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, «Федеральный исследовательский центр угля и углехимии» СО РАН, [email protected]
Аннотация: при разработке горных проектов учет геологической изученности объекта освоения (неполных знаний о недрах) позволит повысить эффективность и безопасность принимаемых решений. Реализовать такой подход предлагается на основе многовариантной геометризации, порождает которую объективная неопределенность геологических званий об объекте освоения. Наличие многовариантных прогнозных карт потенциального состояния боковых пород, что показано на примерах реальных горных объектов, позволяет на стадии проектирования предусмотреть превентивные решения, направленные на повышение эффективности и безопасности ведения горных работ с учетом неполных знаний о недрах.
Ключевые слова: угольные месторождения, геологическая изученность, многовариантная геометризация, геотехнологические решения, обрушение пород кровли.
Введение.
нформационной основой принятия решений по освоению недр является геологическая информация, которая аккумулируется в ходе геологического изучения недр и интерпретируется в виде горно-геометрических моделей показателей месторождения. Ввиду дискретного характера и малого объема прямых опробования всегда имеется неопределённость (неполнота) знаний о недрах определяемая степенью геологической изученности объекта освоения. При недостаточной геологической изученности месторождения формируются ошибочные (значимо отличные от «истинны» ) представления о закономерностях пространственного размещения и свойствах полезного ископаемого в недрах. Принятие и оптимизация геотехнологических решений на основе «ошибочных» представлений приводит к инженерным просчетам, к потере эффективности проектных решений, в отдельных случаях, к невозможности их реализации и к возникновению промышленно опасных ситуаций. Вследствие этого на стадии проектирования и планирования горных работ требуется оценка устойчивости принимаемых геотехнологических решений с учетом
геологической изученности объекта освоения [1, 2].
Основная часть. По итогам 2018 год в России добыты 433 млн. т угля, из которых 1 0 8 млн. т - подземным способом добычи. Добыча угля на шахтах осуществляется преимущественно (более 90 %) длинностол-бовой системой разработки с оснащением очистных забоев высокопроизводительными механизированными комплексами. Безопасность и безаварийность работы выемочного участка во многом определяет-с я э фф ективностью принятых решений по о б е сп ечению устойчивости вмещающего массива, так как в 30...35 % случаев травматизма на шахтах обусловлено обрушением пород кровли разрабатываемого пласта [3, 4]. Кроме того, непредсказуемое поведение пород кровли и почвы приводит к снижению скорости ведения очистных работ, а в отдельных случаях, к списанию части п р о мышленных запасов по фактору промышленной безопасности. В число причин п р о я в л ения этих случаев относится несоответствие характера принимаемых решений горно-геологическим условиям ведения горных работ. Поэтому для снижения травматизма, повышения эффективности и полноты использования недр требуются достоверные прогнозные горно-геометрические
© ®
Содержимое этой работы может использоваться в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution 4.0. Любое дальнейшее распространение этой работы должно содержать указание на автора (ов) и название работы, цитирование в журнале и DOI.
модели потенциального состояния боковых пород, являющиеся информационной основой для разработки мероприятий по предотвращению обрушения вмещающих пород, схем расстановки и плотности крепи, а также прогноза геодинамической ситуации [5]. Качество этих моделей и определяет эффективность принимаемых решений по обеспечению безопасности и эффективности ведения горных работ.
Прогнозирование потенциального состояния боковых пород на стадии проектирования осуществляется по данным геологоразведки по методикам, разработанным под руководством В.В. Смирнова [6] и В.В. Гречухина. [7]. Общим в них является то, что распознавание различных по потенциальной устойчивости и обрушаемости боковых пород угольных пластов осуществляется на основе многофакторного вероятностно-статистического подхода. Отличие - в использовании для этих целей различной исходной информации: в методике В.В. Смирнова - это материалы кернового бурения, а В.В. Гречухина - геофизические данные по скважинам.
Применительно к Кузбассу наибольшее распространение получила методика В.В. Смирнова [6, 8]. В качестве основных признаков для распознавания типов боковых пород приняты следующие геологические характеристики и признаки: литотип пород (по Р.И. Ненашевой), мощность основной и непосредственной кровель, мощность пород почвы, отношение мощностей непосредственной кровли и угольного пласта, трещи-новатость пород, глубина разработки, угол падения, степень постдиагенетического преобразования отложений. Каждому признаку соответствует эмпирическая вероятность проявления того или иного типа кровли и почвы. В.В. Смирновым принята следующая классификация. По устойчивости непосредственной кровли, под которой понимается способность нижних слоев кровли сохранять целостность и не выпадать в подкрепленное пространство: неустойчивая (Н), среднеустойчивая (Ср) и устойчивая (У). По обрушаемости, т.е. способности отельных слоев и пачек той или иной мощности свободно обрушаться за поддерживаемым пространством: легкообрушаю-
щаяся (Л), среднеобрушающаяся (С), труд-нообрушающаяся (Т).
Процесс прогностического распознавания предполагает соотнесение признака, з а фиксированного в процессе разведочных работ, с эмпирической вероятностью проявления того или иного типа кровли (почвы). Максимальное знание условной вероятности по всем признакам, рассчитываемое по упрощенной формуле Байеса, и определяет тип кровли.
Анализ прогнозных карт потенциального состояния вмещающих пород, показал, что условные вероятности проявления того или иного типа кровли или почвы по отдельным опробованиям могут иметь близкие значения. В этих случаях, однозначное отнесение кровли (почвы) к одному из типов при условности и отсутствии математической строгости метода их распознавания, предполагает многовариантность такой оценки, т.е. построение не одной (традиционной), а нескольких
(альтернативных) вариантов горногеометрических моделей потенциального состояния пород кровли или почвы.
Результат многовариантной геометризации по показателю потенциальное состояние пород кровли иллюстрируется на рис. Для реального горного участка по методике вероятностно-статического прогнозирования потенциального состояния пород кровли по данным геологоразведочного бурения [6, 8] построены два варианта (традиционный и альтернативный) горно-геометрических моделей потенциального состояния пород основной и непосредственных кровель ( р и с . ) .
С о гласно традиционной модели на вы е мо чных участках выделяются локальные участки с труднообрушающейся основной, средней и устойчивой непосредственной кровлей. Исходя из того, что сочетание типа основной кровли по нагрузочным свойствам (величине внешней активной нагрузки на крепь, которую обуславливает класс основной кровли по обрушаемость) и непосредственной кровли по устойчивости определяют класс кровли по управляемости - э то легкоуправляемые, средне-
управляемые и трудноуправляемые [9]. Комбинация типов пород вешающего массива,
определенных по традиционной модели, нагрузочным свойствам - к тяжелому. соответствует трудноуправляемому классу Трудность управления кровлей в этом активной кровли (выделено на рисунке с л у ч а е обусловлена большими внешними серым цветом). Тип основной кровли по нагрузками, которые будет испытывать
крепь.
а)
б)
Классы основной кровли по обрушаемости: Труднообрушаемая(Т) Среднеобрушаемая (С) Легкообрушасмая (Л)
['],:' I
Классы непосредственной кровли по устойчивости: Устойчивая (У) Среднейстойчивая(Ср) Неустойчивая (Н)
Рис. Фрагменты горно-геометрических моделей потенциального состояния основной и непосредственной кровель: а - традиционная; б - альтернативная
Согласно альтернативной модели не исключена вероятность проявления легкооб-рушаемой основной и неустойчивой непосредственной кровли (рис., зеленый цвет), а также наличие локальных участков с труд-нообрушающейся основной и неустойчивой непосредственной кровлей (рис., серый цвет), что значительно расширяет области с трудноуправляемой кровлей. Трудность управления для первой комбинации типов кровель обусловлена возможными вывалами пород и засорением горной массы, что потребует принятия соответствующих превентивных решений. Для второй комбинации - возможными значительными активными нагрузками на крепь и неустойчивостью нижних слоев, обрушение которой не позволит крепи развить необходимое сопротивление. Кроме этого, отставание обрушения основной кровли и ее зависание провоцирует образование аэродинамически активной зоны, в которую будет стекаться метановоздушная смесь [9], что необходимо принимать во внимание при принятии решений, направленных на обеспечение безопасности и ритмичности работы очистного забоя.
Следует отметить, что прогноз потенциального состояния пород по методике В.В. Смирнова выполняется на основе природных показателей (геологических данных по скважинам). Такие технические и технологические показатели как длина лавы, скорость подвигания очистного забоя и его расположение относительно выработанного пространства, направление основной системы трещиноватости и др., которые во многом определяют состояние боковых пород, не учитываются, что снижает достоверность прогноза. Поэтому для повышения достоверности прогностических моделей потенциального состояния вмещающих пород требуется адаптации существующих подходов к современным технологиям разработки угольных месторождений. Однако отмеченное не исключает использование многовариантной геометризации для оценки геологической изученности объекта эксплуатации по показателю потенциального состояния боковых пород.
Заключение. Таким образом, оценка степени геологической изученности место-
р о ждения на основе многовариантных моделей потенциального состояния боковых пород, позволяет на стадии проектирования не только оценить устойчивость принимаемых решений с учетом неполных знаний о недрах, но и предусмотреть превентивные решения, направленные на обеспечение безопасной и высокопроизводительной работы очистных забоев.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Писаренко М.В., Шаклеин С. В. Оцен-к а подготовленности месторождений твердых полезных ископаемых к промышленному освоению // Минеральные ресурсы России. 2014. №6. С. 42-45.
2. Писаренко М.В. Горногеометрическое обеспечение оценки достаточности геологической изученности угольных месторождений // Маркшейдерский вестник. 2016. № 4 (113). С. 6-9.
3 . Булгаков, Ю.Ф., А.В. Полева. Оценка степени влияния различных факторов и п р и ч ина аварийности в угольных шахтах Украины // Вестник Донецкого горного института. 210. №1. С.3-5.
4. Распределение травматизма в горных выработках [Эл. ресурс] // Информационный бюллетень Федеральной службы. № 3 , 2013. М., 2014. Режим доступа http://ib.safety.ru/ assets/pdf/Bull_66/Bull_66_15-22.pdf.
5. Ненашева Р.И., Климакин О.С. Иссле-д о вани е влияния устойчивости вмещающих пород пласта XXVII ОАО «Шахта «Первомайская» на технологичность его отработки // Вестник КузГТУ. 2007. №1. С. 24-27.
6. Смирнов В.В., Дымна А.И., Бароньян Э.Л., Белов В.В., Мельник И.Г. Пособие по многофакторному прогнозированию устойчивости углевмещающих пород в очистных в ыраб отках шахт Кузбасса. Ростов-на-Дону: ВНИГРИуголь, 1982. 46 с.
7. Гречихин В.В. Геофизические методы исследования угольных скважин; под ред. В.Н. Дахнова; 2-е изд., испр. и доп. М.: Недра, 1970. 549 с.
8. Мамушкина В.В. Прогноз устойчивости кровли угольных пластов в горных выработках Кузнецкого угольного бассейна по геофизическим данным: автореф. дис. ... канд. геол.-минерал. наук. М., 1994. 16 с.
9. Временные указания по управлению горным давлением в очистных забоях на пластах мощность до 3,5 м и с углом падания до 350. Л., 1982. 136 с.
REFERENCES
1. Pisarenko M.V., Shaklein S. V. Ocenka podgotovlennosti mestorozhdenij tverdyh poleznyh iskopaemyh k promyshlennomu osvoeniyu // Mineral'nye resursy Rossii. 2014. №6. S. 42-45.
2. Pisarenko M.V. Gorno-geometricheskoe obespechenie ocenki dostatochnosti geolog-icheskoj izuchennosti ugol'nyh mestorozhdenij // Markshejderskij vestnik. 2016. № 4 (113). S. 6-9.
3. Bulgakov, Yu.F., A.V. Poleva. Ocenka stepeni vliyaniya razlichnyh faktorov i prichi-na avarijnosti v ugol'nyh shahtah Ukrainy // Vestnik Doneckogo gornogo instituta. 210. №1. S.3-5.
4. Raspredelenie travmatizma v gornyh vyrabotkah [El. resurs] // Informaci-onnyj byulleten' Federal'noj sluzhby. № 3 , 2013. M., 2014. Rezhim dostupa http://ib.safety.ru/assets/ pdf/Bull_66/Bull_66_15-22.pdf.
5. Nenasheva R.I., Klimakin O.S. Issledo-vanie vliyaniya ustojchivosti vmeshchayu-shchih porod plasta XXVII OAO «Shahta «Pervomajskaya» na tekhnologichnost' ego otrabotki // Vestnik KuzGTU. 2007. №1. S. 2427.
6. Smirnov V.V., Dymna A.I., Baron'yan EL., Belov V.V., Mel'nik I.G. Posobie po mnogofaktornomu prognozirovaniyu ustojchivosti uglevmeshchayushchih porod v ochistnyh vyrabotkah shaht Kuzbassa. Rostov-na-Donu: VNIGRIugol', 1982. 46 s.
7. Grechihin V.V. Geofizicheskie metody issledovaniya ugol'nyh skvazhin; pod red. V.N. Dahnova; 2-e izd., ispr. i dop. M.: Nedra, 1970. 549 s.
8. Mamushkina V.V. Prognoz ustojchivosti krovli ugol'nyh plastov v gornyh vyrabotkah Kuzneckogo ugol'nogo bassejna po geofiziches-kim dannym: avtoref. dis. ...kand. geol.-mineral. nauk. M., 1994. 16 s.
9. Vremennye ukazaniya po upravleniyu gornym davleniem v ochistnyh zaboyah na plastah moshchnost' do 3,5 m i s uglom padani-ya do 350. L., 1982, 136 s.
THE GEOLOGICAL KNOWLEDGE OF THE COAL DEPOSITS AS A FACTOR OF IMPROVEMENT OF INDUSTRIAL SAFETY
Pisarenko M. V.
Annotation: when developing mining projects, taking account the geological study's of the development object (incomplete knowledge about the subsoil) will improve the efficiency and safety of decisions. To implement this approach is propos on the basis of multivariate tgeometricс, which gives rise to uncertainty of geological knowledge of the object of development. The presence of multivariate predictive maps of the potential state of lateral rocks, which is shown by the examples of real mountain objects, allows at the design stage to provide preventive solutions aimed at improving the efficiency and safety of mining operations, taking into account incomplete knowledge about the subsoil.
Key words: coal deposits, geological knowledge, multivariate geometricc, geotechnical solutions, the collapse of the roof rocks.
© Писаренко М.В., 2019
Писаренко М.В. Геологическая изученность угольных месторождений как фактор повышения промышленной безопасности //Вектор ГеоНаук. 2019. Т.2. №2. С. 33-37.
Pisarenko M. V., 2019. The geological knowledge of the coal deposits as a factor of improvement of industrial safety. Vector of Geosciences. 2(2): 33-37.
