CC BY
22КОНТРОЛЬ И МОНИТОРИНГ ОПАСНОСТЕЙ HARARD MANAGEMENT AND MONITORING
Оригинальная статья / Original article УДК 574:631.4:631.504
DOI: http://dx.doi.org/10.21285/2500-1582-2018-2-10-16
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПРОЯВЛЕНИЯ ГОРНЫХ УДАРОВ НА УГОЛЬНОЙ ШАХТЕ ТЗИНСИ В КИТАЕ
© А.С. Батугин1,4, Лань Тяньвэй2,3,4, Чжан Хунвэй2,4, Ли Шен2,4
НИТУ «МИСиС», Горный институт. Центр геодинамики недр, 119991, Российская Федерация, г. Москва, Ленинский проспект, 6. 2Ляонинский инженерно-технический университет, Институт горного дела, 123000, Китайская Народная Республика, провинция Ляонин, г. Фусинь.
3Китайский горный университет, Государственная лаборатория угольных ресурсов и безопасности добычи, 221116, Китайская Народная Республика, провинция Цзянсу, г. Сюйчжоу. 4Ляонинский инженерно-технический университет,
Центр инженерных исследований безопасности добычи и обогащения угольных ресурсов, 123000, Китайская Народная Республика, провинция Ляонин, г. Фусинь.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Внедрение метода геодинамического районирования в Китае происходило в три этапа: ввод, развитие и инновации. Цель исследования - показать результаты применения метода геодинамического районирования по созданию модели геологической структуры связи плиты земной коры и угольной шахты. МЕТОДЫ. На основе геодинамического районирования разработана программа расчета напряженного состояния массива горных пород. В результате изучения внутренней связи факторов влияния опасностей была создана модель прогноза распознавания многофакторных образов. РЕЗУЛЬТАТЫ. Энергия, содержащаяся в углях и горных породах, является источником и необходимым условием динамических явлений. Для исследования связи между энергией и размерами участвующего в этом процессе участка массива создана модель динамических систем и представлены условия их разрушения. Методом многофакторного распознавания образов выявлены: опасный, угрожаемый и безопасный районы по геодинамическим угрозам в шахтном поле. ВЫВОДЫ. Разработаны профилактические мероприятия, повышающие уровень прогноза проявления геодинамических явлений и обеспечивающие безопасность деятельности на угольных шахтах.
Ключевые слова: метод геодинамического районирования, геодинамическое условие, внезапный выброс угля и газа, горный удар.
Информация о статье. Дата поступления 11 марта 2018 г.; дата принятия к печати 20 апреля 2018 г.; дата он-лайн-размещения 21 июня 2018 г.
Формат цитирования: Батугин А.С., Лань Тяньвэй, Чжан Хунвэй, Ли Шен. Исследование геодинамических условий проявления горных ударов на угольной шахте Тзинси в Китае // XXI век. Техносферная безопасность. 2018. Т. 3. № 2 (10). С. 10-16. DOI: 10.21285/2500-1582-2018-2-10-16
1 4
, Батугин Андриан Сергеевич, доктор технических наук, профессор, ведущий специалист, е-mail: [email protected] A.S. Batugin, Doctor of Engineering, Professor, Leading Expert, e-mail: [email protected] 2,3,4Лань Тяньвэй, доктор технических наук, доцент, ведущий специалист, е-mail: [email protected] Lan Tianwei, Doctor of Engineering, Associate Professor, Leading Expert, e-mail: [email protected] 2,4Чжан Хунвэй, ведущий специалист, е-mail: [email protected] Zhang Hongwei, Leading Expert, e-mail: [email protected] 2,4Ли Шен, ведущий специалист, е-mail: [email protected] Li Sheng, Leading Expert, e-mail: [email protected]
Том 3, № 2 2018 XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ Vol. 3, no. 2 2018 XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
ISNN 2500-1582
КОНТРОЛЬ И МОНИТОРИНГ ОПАСНОСТЕЙ HARARD MANAGEMENT AND MONITORING
STUDIES ON GEODYNAMIC CONDITIONS OF ROCK BURSTS DEVELOPMENT IN COAL MINES OF TSZINSI DEPOSIT IN CHINA
A.S. Batugin, Lan Tianwei, Zhang Hongwei, Li Sheng
Moscow State Mining University (MISIS),
6, Lenin Avenue, Moscow, Russian Federation, 119991
School of Mines, Liaoning Technical University, China
Fuxin city, Liaoning Province, People's Republic of China, 123000
State Key Laboratory for Coal Resources and Safe Mining,
Province of Jiangsu, Xuzhou, People's Republic of China, 221116
Research Center for Coal Resources Safe Mining and Clean Utilization, School of Mines, Liaoning Technical University, Fuxin city, Liaoning Province, People's Republic of China, 123000
ABSTRACT. PURPOSE. In China, a geodynamic zoning method was introduced in three stages: input, development and innovation. A research objective is to show results of the geodynamic zoning method applied for creating a model of the geological structure of crust plate - coal mine interaction. METHODS. On the basis of the method, a program for calculating rock tension. Studies on the internal interaction of danger effects, a forecasting model of recognition of multiple-factor images has been developed. RESULTS. Energy in coals and rocks is a dynamic source and an obligatory condition of dynamic phenomena. To study the relationship between energy and sizes of the site of the massif participating in this process, the model of dynamic systems was developed and conditions of their destruction are presented. A multifac-tor image identification method was used to reveal a dangerous region, a menacing region and a safe region. CONCLUSION. Preventive measures increasing the prediction level for the region of geodynamic dangers and ensuring safety of coal mining were developed.
Keywords: geodynamic zoning method, geodynamic condition, sudden coal and gas emission, mountain blow
Information about the article. Received March 11, 2018; accepted for publication April 20, 2018; available online June 21, 2018.
For citation. Batugin A.S., Lan Tianwei, Zhang Hongwei, Li Sheng. Studies on geodynamic conditions of rock bursts development in coal mines of Tszinsi deposit in China. XXI vek. Tekhnosfernaya bezopasnost' = XXI century. Techno-sphere Safety, 2018, vol. 3, no. 2 (10), pp. 10-16. DOI: 10.21285/2500-1582-2018-2-10-16. (In Russian).
Введение
В конце 1980-х годов академик Российской академии естественной наук Петухов И.М. и член-корреспондент Российской академии наук Батугина И.М. представили метод геодинамического районирования. Геодинамическое районирование - это наука о процессах, происходящих в массиве горных пород земной коры при освоении недр в результате взаимодействия двух систем: природной (геодинамической) и техногенной (антропогенной, технодинами-ческой) [1]. В 1990-е годы в МГГУ создали научно-исследовательскую лабораторию геодинамического районирования. В 1989
году геодинамическим районированием начали заниматься в Китае: в Ляонинском инженерно-техническом университете профессора Дуань Кэсинь и Чжан Хунвэй организовали сотрудничество с Петуховым И.М. и Батугиной И.М. по исследованию геодинамического районирования и прогнозу горной геодинамической опасности на рудничных шахтах Бэй Пяо Китая. В дальнейшем данный метод применяли на многих других шахтах КНР, например, шахтах Хуа Инань, Пин диншан, Има, Датун, Хэ Бин, Хэ Ган, Фу Синь, Нань Пяо, Бэй Пяо, Синь Вэнь и т.д.
Том 3, № 2 2018 XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ Vol. 3, no. 2 2018 XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
ISNN 2500-1582
КОНТРОЛЬ И МОНИТОРИНГ ОПАСНОСТЕЙ HARARD MANAGEMENT AND MONITORING
Развитие и инновации геодинамического районирования в Китае
Развитие исследований геодинамического районирования. Первый этап развития - с 1989 по 1995 гг., когда в Китае начали заниматься геодинамическим районированием и в сотрудничестве с МГГУ выполнили геодинамическое районирование и прогноз горной геодинамической опасности на угольных шахтах Бэй Пяо [2]. В КНР стали формироваться научные группы по исследованию геодинамического районирования. Была создана модель геологической структуры взаимодействия блока природной и техногенной систем и шахты; научными группами было разработано оборудование измерения напряжения и программа аналитического расчета напряженного состояния пород, с помощью которых выполнили анализ и определили состояния напряжения горного массива на угольной шахте [3-7].
В течение второго этапа, с 1996 по 2005 гг., в Ляонинском инженерно-техническом университете был организован центр исследования геодинамического районирования - этот период можно назвать стадией зрелости в развитии геодинамического районирования в Китае. В те годы на основе метода геодинамического районирования была создана система прогноза распознавания многофакторных образов. С ее помощью стало возможным определение опасного, угрожающего и безопасного районов по геодинамическим катаклизмам в шахтном поле, что позволило разработать профилактические мероприятия, повысить уровень прогноза геодинамических чрезвычайных ситуаций и обеспечить безопасное производство на угольных шахтах. Осуществили государственные и другие проекты, в том числе «Региональный прогноз внезапных выбросов угля и газа месторождения Хуа Инань» и «Региональный прогноз и борьба с внезапным выбросом угля и газа месторождения Шестой
шахты Хэ Бин».
В течение третьего этапа (с 2006 по 2015 гг.) созданный инновационный центр исследовательских научных групп занялся инновационным развитием геодинамического районирования по геодинамическому состоянию окружающей среды. На основе геодинамического районирования в результате анализа геодинамической среды были разработаны: метод оценки геодинамической среды и показатели соответствующей оценки для динамической опасности, которые нашли широкое применение при прогнозировании и борьбе с горными ударами на многих угольных шахтах Китая и месторождениях Има, Пин диншан [8-13].
Анализ геодинамической окружающей среды. Проявление динамических катаклизмов зависит от многих факторов. В различных месторождениях при неодинаковых структурах, напряжениях и несхожих условиях разработки динамические бедствия проявляются по-разному. Хотя сегодня точно предсказать время, место и балл динамических катастроф очень трудно, но вероятность возникновения чрезвычайной ситуации спрогнозировать возможно.
В результате исследований геодинамического состояния окружающей среды рудных динамических бедствий были установлены методы оценки геодинамических сред и соответствующие показатели, определены геодинамические среды, способные влиять на проявление динамических катаклизмов. Для представления критерия неустойчивости катастрофы динамической системы и выяснения механизма появления динамической опасности создана модель динамической системы состава углей и горных пород.
Разработка системы показателей оценки геодинамических условий. Многолетние исследования и производственный опыт показывают, что проявление ди-
Том 3, № 2 2018 XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ Vol. 3, no. 2 2018 XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
ISNN 2500-1582
КОНТРОЛЬ И МОНИТОРИНГ ОПАСНОСТЕЙ HARARD MANAGEMENT AND MONITORING
намических катаклизмов зависит от результатов совместных воздействий геодинамических условий и горных инженерных работ; здесь геодинамические условия являются необходимым условием проявления динамических катастроф, а горные инженерные работы - достаточным условием.
Геодинамические условия включают глубину добычи, поле тектонического напряжения, тектонические движения, активный разлом, породный пласт кровли, обстановку динамических бедствий соседних забоев и т.д. Причем, вполне достаточно наличия трех условий, чтобы шахта была внесена в перечень объектов, опасных по геодинамическим явлениям.
Метод прогнозов распознавания многофакторных образов на основе результатов исследований геодинамического районирования позволил получить объемный пакет информации и разделить исследуемый участок на отдельные элементы. Вследствие изучения связи факторов, вли-
яющих на опасность проявления динамических бедствий, была разработана модель для их многофакторного регионального прогноза и установлен вероятностный критерий прогноза возникновения чрезвычайной ситуации. Определены: опасный, средний опасный и безопасный районы по динамическим угрозам на угольной шахте. Это существенно повышает качество прогноза и способствует безопасной отработке угольных пластов.
Метод прогноза распознавания многофакторных образов способствует развитию теории прогноза динамических бедствий с однозначного фактора до многофакторного, с прогноза точки до прогноза района.
Впервые был осуществлен научный прогноз вероятности элемента опасности рудничных динамических бедствий, повышающий точность прогноза динамических явлений.
Применение метода геодинамического районирования на угольных шахтах в Китае
Разработанный нами метод прогноза вероятности распознавания многофакторных образов позволил осуществить прогноз вероятности опасности различных участков шахтного поля. Определены четыре основных фактора вероятности возникновения такой опасности: активные разломы, напряжение горных пород, свойство породного пласта кровли и объем выброса газа.
Прогноз внезапного выброса угля и газа. Значение вероятности опасности внезапного выброса 0.32 и 0.63 в качестве критического разделило опасный район, угрожаемый район и безопасный район внезапных выбросов угля и газа на угольной шахте. В исследуемом шахтном поле результаты прогноза включали три части: неглубокая область являлась безопасным районом с вероятностью к проявления внезапных выбросов угля и газа менее 0.32 ^ < 0.32); средняя область - угрожаемый
район со значениями вероятности проявления внезапных выбросов угля и газа 0.63 > k > 32.0; глубокая область представляла собой опасный район с вероятностью k проявления внезапных выбросов угля и газа 1 > k < 63.0. К окончанию исследования в 2008 году в шахтном поле наблюдалось три внезапных выброса угля и газа (рис. 1):
1. Внезапный выброс угля и газа 06 марта 2006 г. в забое 3402; место внезапного выброса находилось в опасном районе.
2. Внезапный выброс угля и газа 17 марта 2006 г. в забое 3195; место внезапного выброса в опасном районе, выброшенный объем угля 30 тонн.
3. Внезапный выброс угля и газа 13 октября 2008 г.; место внезапного выброса в опасном районе, выброшенный объем угля - 400 тонн, газа - 51583 т3.
Том 3, № 2 2018 Vol. 3, no. 2 2018
XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
ISNN 2500-1582
и 13 ,,
КОНТРОЛЬ И МОНИТОРИНГ ОПАСНОСТЕЙ HARARD MANAGEMENT AND MONITORING
Рис. 1. Результаты прогноза внезапных выбросов угля и газа на угольной шахте: 1, 2,3 - места проявления внезапных выбросов Fig. 1. Prediction results for sudden outbursts in a coal mine: 1, 2,3 - sites of outbursts
Таким образом, все три внезапных выброса угля и газа находились в опасном районе, а это значит, что результаты прогнозов совпали с показателями реальных чрезвычайных ситуаций.
Прогноз горных ударов на угольной шахте. Методом распознавания многофакторных образов осуществлен прогноз вероятности опасности различных участков шахтного поля. Значение вероятности опасности выброса 0.43 и 0.66 в качестве критического значения разделило опасный, угрожаемый (средний уровень опасности) и
безопасный районы. К опасному району отнесены области, заполненные ячейками с вероятностью к проявления горного удара 66.0 < к < 1.0. К районам среднего уровня опасности - со значениями вероятности проявления горных ударов в диапазоне 0.66> к > 43.0. К неопасному району - с вероятностью проявления горных ударов менее 0,43. Площадь опасного района по проявлению горных ударов составила 29% от общей площади шахтного поля, со средним уровнем опасности - 35% и неопасного - 36% (рис. 2).
Рис. 2. Результаты прогноза опасности горного удара на угольной шахте: 1 - опасный район,- 2 - район среднего уровня опасности; 3 - безопасный район Fig. 2. Danger prediction results for a rock burst in a coal mine: 1 - dangerous region; 2 - medium risk region; 3 - safe region
14
Том 3, № 2 2018 Vol. 3, no. 2 2018
XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
ISNN 2500-1582
ШМ
КОНТРОЛЬ И МОНИТОРИНГ ОПАСНОСТЕЙ HARARD MANAGEMENT AND MONITORING
Для опасных районов рекомендуется заблаговременное применение региональных и разработка локальных профилактических мероприятий. Здесь необходим усиленный контроль за определением степени опасности горных ударов во время ведения горных работ. Для районов среднего уровня опасности следует использо-
вать ограниченные профилактические мероприятия, но в то же время контролировать достигаемый эффект.
В неопасных по горным ударам районах работы можно вести без профилактических мероприятий, но осуществлять контроль геодинамической опасности.
Выводы
Внедрение метода геодинамического районирования в Китае происходило в три этапа: ввод, развитие и инновации. На основе метода геодинамического районирования была разработана программа расчета напряженного состояния массива горных пород и создана на базе GIS система прогноза распознавания многофакторных образов. Результаты исследования прогноза и профилактики опасностей динамических явлений подтверждены научными доказательствами.
Хотя сегодня трудно точно предсказать время, место и балл динамических воздействий, но вероятность возникновения чрезвычайной ситуации возможно спрогнозировать. В результате изучения внутренней связи факторов, влияющих на проявление опасности, была создана модель ее прогноза на основе метода многофакторного распознавания образов и выявлены: опасный, угрожаемый и безопасный районы по геодинамическим угрозам
на шахтном поле. Разработаны профилактические мероприятия, повышающие уровень прогноза геодинамических явлений и тем самым обеспечивающих безопасность деятельности на угольных шахтах.
Работа выполнена при поддержке Фонда национальных естественных наук КНР (51604139); Открытого исследовательского фонда государственной лаборатории безопасности добычи угольных ресурсов Китайского горного университета КНР (SKLCRSM18KF000); Фонда Государственного ведущего исследовательского и планового проекта КНР (2017YFC0804209); Фонда отдела народного образования провинции Ляонин КНР (LJYL037); Открытого исследовательского фонда лаборатории безопасности добычи и обогащения угольных ресурсов провинции Ляонин КНР
(LNTURCCRSMCU15KF09).
Библиографический список
1. Петухов И.М., Батугина И.М. Геодинамика недр. М.: Недра коммуникэйшенс. 1999. 230 с.
2. Батугина И.М., Петухов И.М., Батугин А.С. О геодинамическом районировании месторождения Бей-ляо. КНР: Фусин, 1993. С. 274-277.
3. Zhang Hongwei, Li Sheng. Pattern recognition and possibility prediction of coal and gas outburst [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24 (19): 3577-3581.
4. Zhang Hongwei, Duan Kexin, Zhang Jianguo, [et al.]. Study on the regional prediction of mining dynamic phenomenon [J]. Journal of China Coal Society, 1998, 42 (4): 383-387.
Ö
5. Zhang Mengtao, Song Weiyuan, Pan Yishan. Study on water pouring into coal seam to prevent rock-burst [J]. China Safety Science Journal, 2003, 13 (10): 69-73.
6. Qi Qingxin, Dou Linming. Theory and technology on mine pressure bumping [M]. Xuzhou: China university of mining and technology, 2007: 1-15.
7. Dou Linming, He Xueqiu. Monitoring rock burst by electromagnetic emission [J]. Progress in Geophysics, 2005, 20 (2): 427-431.
8. Lan Tianwei, Su Guangfu Han Jun, [et al.]. Prediction of coal and gas outburst based on geo-dynamic division [J]. China Safety Science Journal, 2010, 20 (3): 46-50.
Том 3, № 2 2018 Vol. 3, no. 2 2018
XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
ISNN 2500-1582
КОНТРОЛЬ И МОНИТОРИНГ ОПАСНОСТЕЙ HARARD MANAGEMENT AND MONITORING
9. Батугин А.С, Батугина И.М., Болотный Р.А. К оценке геодинамического риска в мегаполисах // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2008. № 6. С. 141-143.
10. Duan Kexin, Zhang Hongwei, Peituhuofa I.M., [et al.]. Geo-dynamic division of Beipiao mining area and study on the prediction of mining dynamic phenomenon [R]. Research Report, 1989.
11. Zhang Hongwei, Batujina И.М., [et al.]. Geo-
dynamic division of coal and gas outburst regional prediction in Huainan mining area and visualization technology [R]. Research Report, 2001.
12. Zhang Hongwei, Li Sheng, [et al.]. Coal mine geo-dynamic division and study on the prediction of gas accident [R]. Research Report, 2004.
13. Zhang Hongwei, Song Weihua, [et al.]. Coal mine geo-dynamic division [R]. Research Report, 2011.
References
1. Petuhov I.M., Batugina I.M. Geodinamika nedr [Geo-dynamics of a subsoil]. Moscow, Nedra communication Publ., 1999, 230 p. (In Russian).
2. Batugina I.M., Petuhov I.M., Batugin A.S. O geo-dinamicheskom rajonirovanii mestorozhdeniya Bejlyao [About geodynamic division into districts of the Beylyao field]. KNR, Fusin Publ., 1993, pp. 274-277. (In Russian).
3. Zhang Hongwei, Li Sheng. Pattern recognition and possibility prediction of coal and gas outburst [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24 (19): 3577-3581.
4. Zhang Hongwei, Duan Kexin, Zhang Jianguo, [et al.]. Study on the regional prediction of mining dynamic phenomenon [J]. Journal of China Coal Society, 1998, 42 (4): 383-387.
5. Zhang Mengtao, Song Weiyuan, Pan Yishan. Study on water pouring into coal seam to prevent rock-burst [J]. China Safety Science Journal, 2003, 13 (10): 69-73.
6. Qi Qingxin, Dou Linming. Theory and technology on mine pressure bumping [M]. Xuzhou: China university of mining and technology, 2007: 1-15.
7. Dou Linming, He Xueqiu. Monitoring rock burst by
Критерий авторства
Батугин А.С., Лань Тяньвэй, Чжан Хунвэй, Ли Шен имеют равные авторские права. Лань Тяньвэй несет ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в этой работе.
electromagnetic emission [J]. Progress in Geophysics, 2005, 20 (2): 427-431.
8. Lan Tianwei, Su Guangfu Han Jun, [et al.]. Prediction of coal and gas outburst based on geo-dynamic division [J]. China Safety Science Journal, 2010, 20 (3): 46-50.
9. Batugin A.S, Batugina I.M., Bolotnyj R.A. K ocenke geodinamicheskogo riska v megapolisah [To assessment of geodynamic risk in megalopolises]. Gornyj in-formacionno-analiticheskij byulleten' [Mining information and analytical bulletin]. 2008, no. 6, pp. 141-143. (In Russian).
10. Duan Kexin, Zhang Hongwei, Peituhuofa I.M., [et al.]. Geo-dynamic division of Beipiao mining area and study on the prediction of mining dynamic phenomenon [R]. Research Report, 1989.
11. Zhang Hongwei, Batujina M.M., [et al.]. Geo-dynamic division of coal and gas outburst regional prediction in Huainan mining area and visualization technology [R]. Research Report, 2001.
12. Zhang Hongwei, Li Sheng, [et al.]. Coal mine geo-dynamic division and study on the prediction of gas accident [R]. Research Report, 2004.
13. Zhang Hongwei, Song Weihua, [et al.]. Coal mine geo-dynamic division [R]. Research Report, 2011.
Contribution
Batugin A.S., Lan Tianwei, Zhang Hongwei, Li Sheng have equal author's rights. Lan Tianwei bears the responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this article.
Том 3, № 2 2018 XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ Vol. 3, no. 2 2018 XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
ISNN 2500-1582
