CC BY
24
Г орный информационно-аналитический бюллетень
СЕМИНАР; 3
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА^
99"
: МОСКВА,; МГГУ, ; 25.01.99 -; 29.01.99:
^ А.П. Веселов, Л.М. Гусельников, Б.А. Согрин, 200
УДК 622.838
А.П. Веселов, Л.М. Гусельников, Б.А. Согрин
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СПОСОБОВ СОЗДАНИЯ БЕЗОПАСНЫХ УСЛОВИЙ ОТРАБОТКИ ВОРКУТСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ПУТЕМ ИЗМЕНЕНИЯ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ ФАКТОРОВ
П ри отработке месторождений, характеризующихся значительной глубиной ведения горных работ и склонностью к динамическим проявлениям как угля, так и вмещающих пород, эффективность применения профилактических мероприятий по созданию безопасных условий зависит от качества прогнозной оценки напря-женно-деформиро-ванного состояния массива и от соответствия мероприятий горно-геологическим и техногенным факторам.
Для совершенствования технологии ведения горных работ и способов прогноза проявлений напря-женно-деформи-рованного состояния (НДС) горного массива проведены исследования эффективности управления влиянием техногенных факторов на создание безопасных условий в очистных забоях и выработках ОАО «Воркутауголь», отрабатывающих Вор-кутское месторождение.
В процессе исследований была выполнена оценка эффективности применяемых мероприятий по предотвращению газодинамических явлений (ГДЯ), обрушений пород и рассмотрен механизм перераспределения напряжений вследствие воздействия техногенных факторов. Воркутское месторождение представляет мульду, ось которой ориентирована на северо-восток. Падение пластов преимущественно пологое. Глубина залегания пластов 1200 м. Крупными тектоническими разрывными нарушениями месторождение делится на блоки. Основ-
ные отрабатываемые пласты опасны по газодинамическим проявлениям. По обрушаемости около 40 % шахтопла-стов имеют труднообрушаемые кровли, до 67 % шахтопластов характеризуются неустойчивыми непосредственными кровлями.
При интенсивной отработке месторождения с использованием современного оборудования на больших глубинах и при высокой газообильно-сти влияние указанных факторов возрастает.
Разрушение горного массива силами горного и газового давления в динамической форме, массовые обрушения труднообрушаемой кровли при сложной системе горных выработок нередко принимают катастрофический характер. Поэтому на воркутинских шахтах постоянно ведутся работы по совершенствованию способов прогноза и предотвращению динамических проявлений горного давления, что подтверждается данными по снижению частности их проявления.
Так, за период 1950-1993 гг. произошло на месторождении 267 внезапных выбросов, в том числе 117 внезапных и 150 спровоцированных ведением взрывных работ. Основное число выбросов, около 86%, произошло при проведении подготовительных выработок, остальные - в очистных забоях.
С 1950 по 1957 год произошло 88 % от всего количества внезапных выбросов, за период 1968-1984 гг., -
11,6 %, с 1984 по 1991 год произошел 1 выброс.
Проявление горных ударов на месторождении отмечается с 1966 года. Всего произошел 51 горный удар (на 1.01.1996 год). Горные удары в основном происходили в целиках, прилегающих к горным выработкам. С углублением горных работ проявление горных ударов отмечается в очистных забоях с труднообрушаемыми кровлями. С глубины 906-1022 м возникают горные удары в виде внезапных поднятий и разрушений почвы при проведении горных выработок и в выработках, прилегающих к очистным забоям.
За период 1968-1974 гг. произошло 38 горных удара или 75 % от их общего количества, за период 1975-1996 гг. -25 %.
Резкому снижению происходящих динамических явлений на шахтах Воркутского месторождения способствовало внедрение региональных и локальных мероприятий по предотвращению газодинамических явлений, разработанных ВостНИИ, ВНИМИ, Печорниипроектом, техническими работниками шахт и управления. В качестве региональных мероприятий по предотвращению ГДЯ на воркутинских шахтах применяются первоочередная отработка защитных пластов в восходящем порядке и бес-целиковая выемка. Локальные мероприятия включают гидровымыв, гидроотжим, гидрорыхление угольного массива, бурение разгрузочных скважин большого диаметра. При воздействии на вмещающие породы используются увлажнение пород, гидроразрыв и гидромикроторпедирование.
Несмотря на определенную эффективность, некоторые региональные и особенно локальные мероприятия по предотвращению ГДЯ характеризуются значительной трудоемкостью, недостаточной технологической безопасностью и сравнительно низким коэффициентом надежности.
Наиболее эффективным из локальных является комплексный способ предотвращения горных ударов в очистных забоях и прилегающих выработках путем гидромикроторпедирования кровли и гидрорыхления очистного забоя, а из региональных - способ, основанный на первоочередной отработке защитных пластов в восходящем порядке. Эти способы при пра-
Московский государственный горный университет
вильно выбранных параметрах обеспечивают надежность предотвращения ГДЯ в 95-100 % случаев. Кроме того, при использовании их отмечается снижение травматизма от обрушения кровли и угля в 1,3-1,5 раза.
Для качественной оценки эффективности применения локальных мероприятий выполнен анализ возникновения ГДЯ. На основании выполненного анализа случаев ГДЯ на Вор-кутском месторождении установлено, что 20-30 % внезапных выбросов происходит поеме выполнения мероприятий, от 60 до 45 % - при выполнении мероприятий, особенно при проведении сотрясательного взрывания, и 20-15 % происходили впервые без проведения защитных мер. Так количество горных ударов, возникающих после проведения мероприятий, составило 50 %, при выполнении мероприятий - 40 % и около 10 % произошло на участках, ранее не отнесенных к опасным по горным ударам.
Такое распределение условий возникновения ГДЯ свидетельствует о неэффективности применяемых мер, несоответствии их данным горногеологическим и горнотехническим условиям, о недостаточной обоснованности защитных мероприятий и способов прогноза.
Применяемые методы оценки НДС имеют низкую надежность. Например, надежность оценки НДС массива бурением прогнозных скважин по углю на больших глубинах даже при прогнозе горных ударов не превышает 60-70 %. Надежность оценки НДС по выходу штыба повышается при одновременных замерах температуры пласта и использовании наблюдений по глубинным реперным станциям. Несколько выше надежность оценки НДС массива до 75-80 %, позволяют получить сейсмические методы, например сейсмического просвечивания.
Проведенные исследования влияния факторов, обуславливающих проявления ГДЯ на Воркутском месторождении, выполненные замеры на участках их возникновения позволяют считать, что основными причинами внезапных выбросов и горных ударов являются повышенные естественные и техногенные напряжения.
Тектонические нарушения, секущие Воркутскую мульду, и геологиче-
ские условия образования мульды предопределяют наличие тектонически напряженных зон (ТНЗ).
В настоящее время при оценке влияния техногенных факторов на перераспределение напряжений ограничиваются двумя параметрами: зоной разгрузки надработанной толщи и зоной опорного давления, созданной зависающими подработанными породами, которые определяются условно принятыми расстояниями по величинам деформации выработок, смещений пород.
Однако, при определенных условиях, создавшихся при отработке месторождения, этих параметров недостаточно для разработки способов прогноза и эффективных мероприятий по управлению горным давлением, в частности, для предотвращения горных ударов с разрушением почвы в выработках и внезапных выбросов.
Выполненными исследованиями установлено, что формирование геодинамически опасных зон возможно и на участках, расположенных вне влияния ТНЗ, вследствие перераспределения напряжений в надработанной толще. На этих участках величины напряжений определяются в основном влиянием техногенных факторов: размерами выработанных пространств, ориентировкой их относительно расположения фронта горных работ, глубины и фактора времени.
Ведение горных работ вызывает нарушение равновесного состояния как подрабатываемых, так и надраба-тываемых слоев пород. Развитие процесса деформации разгрузки глубинных слоев в надработанной толщи до уровня, близкого к начальному, и сопровождается пригрузкой массива, нетронутого горными работами.
Таким образом, выемка угля приводит к созданию повышенных напряжений, обусловленных не только весом зависших подработанных пород, опирающихся на нетронутый горными работами массив, но и при-грузкой краевых частей массива за счет перераспределения напряжений в надработанной толще. В этом случае протяженность зон повышенных напряжений значительно превышает протяженность зон опорного давления, образованных влиянием подработанных пород.
Согласно статистическому анализу материала ГДЯ при отработке Воркут-ского месторождения систематически стали возникать с глубин 400-700 м и после подвигания общего фронта горных работ от границ начала отработки к оси мульды на расстояние 700-1200 м. ГДЯ происходят в основном в зоне при-грузки, то есть на участках примыкания горного массива к общему фронту работ протяженностью 290-350 м по падению.
Схемы формирования зон разгрузки и пригрузки характеризуются цикличностью и определяются размерами техногенных пустот, глубиной ведения работ и временем отработки. Для формирования зон разгрузки необходим период времени для рассматриваемых условий в пределах 1114 лет, для формирования зоны при-грузки на полную протяженность необходимо 4-5 лет. При более быстрых темпах отработки время формирования зон уменьшается, уменьшается оно также при высоких естественных напряжениях, действующих в массиве. Периодичность формирования зон пригрузки сопровождается периодичностью проявлений ГДЯ.
На основании анализа возникновения ГДЯ и выполненных исследований по замерам напряжений разработана геомеханическая модель перераспределения напряжений в горном массиве под влиянием техногенных факторов, получены параметры распределения напряжений в определенный промежуток времени, установлены размеры зон разгрузки, пригрузки и закономерности изменения коэффициента концентрации напряжений в зонах ведения горных работ,
Исследования показали, что напряженное состояние горного массива в зоне пригрузки характеризуется не только высоким коэффициентом концентрации напряжений, но и значительной флуктуацией его величин на участках небольшой протяженности. На исследуемых глубинах коэффициент концентрации напряжений в угольном массиве достигает значений от 5-6 до 7-8, а в породном до 8-10. Такие величины коэффициента концентрации обычно характеризуют неустойчивое равновесное состояние горного массива и стремление к перераспределению напряжений в течение незначительного периода времени. Перераспределение напряжений при
этом может иметь форму релаксации или носить интенсивный толчкообразный характер. На перераспределение напряжений в зонах пригрузки оказывает существенное влияние наличие тектонических напряжений, которые способствуют развитию высоких коэффициентов концентрации, толчкообразному характеру перераспределения напряжений и возникновению ГДЯ. Участки неустойчивого равновесия в этой зоне обычно становятся очагами тектонических горных ударов. Нередко толчкообразное перераспределение напряжений на этих участках вызывает колебания массива, которые служат импульсами возникновения горных ударов с разрушением почвы выработок, расположенных на расстоянии до 280 м вне зоны опорного давления.
Выполненный анализ условий возникновения ГДЯ и исследования
изменений НДС горного массива при отработке Воркутского месторождения позволяют сделать ряд выводов и разработать рекомендации по использованию установленных закономерностей. Актуальность использования установленных закономерностей возрастает с увеличением нагрузок на очистной забой, роста скоростей их подвигания, а также в связи с ведением горных работ вблизи оси Воркут-ской мульды. В настоящее время отработано более 2/3 Воркутского месторождения (без учета южного замыкания мульды). Дальнейшее встречное подвигание фронта отрабатываемых шахтных полей вызовет более интенсивное перераспределение напряжений в неотработанном массиве. Перераспределение напряжений может сопровождаться на участках влияния очистных работ газодинамическими явлениями и на за-
щитных пластах. Поэтому при ведении работ по мере приближения к оси мульды необходимо соблюдать соотношение фронта между шахтами. Предельное расстояние между встречными фронтами работ должно быть не менее 800 м или двух зон перераспределения напряжений в массиве, чтобы избежать их одновременного наложения.
Таким образом, для эффективного управления влиянием техногенных факторов на создание безопасных условий ведения горных работ необходимо учитывать установленные закономерности перераспределения напряжений в надрабатываемой толще, развитие опорного давления подрабатываемых пород, а также влияние на перераспределение напряжений тектонических нарушений.
Веселов А.П. — ОАО «Воркутауголь».
Гусельников Л.М., Согрин Б.А. — Печорниипроект.
