CC BY
31
© С.И. Горковенко, Н.М. Кивилева, В.А. Шерстов, 2005
УДК 622.342:658.382.3
С.И. Горковенко, Н.М. Кивилева, В.А. Шерстов
ПОВЫШЕНИЕ И ПРОГНОЗ БЕЗОПАСНОСТИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ РОССЫПЕЙ ЗАПОЛЯРЬЯ НА ОСНОВЕ УЧЕТА И УПРАВЛЕНИЯ ГОРНОТЕХНИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ
Семинар № 11
сследованиями, проведенными в горнорудной и угольной промышленности, установлено, что горно-геологи-ческие и горнотехнические факторы существенно влияют на условия безопасности ведения подземных горных работ и формирование уровней травматизма.
Для оценки влияния горнотехнических условий подземной разработки многолетнемерзлых россыпей на безопасность ведения горных работ были рассмотрены россыпные шахты Заполярья (на примере шахт бывшего комбината «КуларЗо-лото»), которые в отличие от месторождений Центральной Якутии характеризуются своеобразными горнотехническими условиями эксплуатации.
Под горнотехническими условиями разработки россыпей подразумевается мощность торфов и песков, строение россыпи (покрывающих пород, продуктивного пласта, плотика), мерзлотная характеристика, крепость пород и устойчивость кровли; ширина, глубина и протяженность россыпи и т.д.
Россыпные месторождения Арктической зоны, как уже отмечалось, отличаются некоторыми специфическими особенностями, характерными для аллювиальных образований, расположенных в тундровой зоне Заполярья.
Как правило, в верхней части склоновых отложений залегает толща литологически однородных льдистых пылеватых суглинков мощностью 25-50 м.
Главной особенностью склоновых отложений является наличие в них ледяных жил значительной, мощности и самой различной ориентации. Одни жилы пронизывают всю толщу суглинков, внедряясь в галечник и элювий на глубину 40—50 м, другие выклиниваются уже на глубине 8—10 м.
При разработке россыпей с глубиной залегания более 50 м кровля монолитна и устойчива; при меньшей глубине она в большинстве случаев нарушена повторно-жильными льдами и неустойчива.
Для исследования степени и характера влияния горнотехнических условий на уровень производственного травматизма при подземной разработке многолетнемерзлых россыпей были проанализированы горнотехнические условия эксплуатации более 100 шахт комбината, отработанных с применением переносного оборудования, и сопоставлены со случаями производственного травматизма, происшедшего по техническим причинам: обрушения, обвалы, падения предметов, машин, механизмов и человека. Анализ данных показывает, что 46,2 % производственных травм происходит при работе с механизмами и машинами, травматизм от обрушения и падения предметов составляет 44,4, падения человека — 7,8 %. На основе статистического материала и оценки соответствующих факторов можно определить степень и характер влияния факторов на уровень производственного травматизма. Таким образом, можно поставить и решить задачу прогноза возникновения несчастных случаев в зависимости от горнотехнических условий методами распознавания образов [1, 2].
Выделение противоположных групп осуществлялось на основе сравнения изучаемых объектов (шахт) по показателям травматизма. В группу А выделялись шахты, где не было случаев производственного травматизма, в группу В — шахты, где они имели место.
Задача исследований состояла в том, чтобы путем сравнения групп А и В, найти их отличительные особенности, а также, имея значения факторов, определить для любой новой шахты вероятность несчастного случая на ней.
При постановке задачи в рамках распознавания образов среди первоначально выбранных признаков имеются такие, которые не влияют на принадлежность объекта к тому или иному классу. Одна из задач анализа признакового пространства — сокращение числа признаков за счет исключения малоинформативных.
После определения перечня информативных признаков формируется окончательная обучающая выборка в форме матрицы. По обучающей выборке строится решающее правило, позволяющее распознавать вновь предъявленные объекты. Полученная система информативных факторов характеризует каждый объект как точку в многомерном пространстве.
Введение безразмерных координат позволяет указывать на то, что, чем ближе точка к началу координат, тем менее вероятен несчастный случай и, наоборот, чем ближе точка к 1, тем вероятнее несчастный случай на этом объекте, т.е. можно построить график вероятности несчастного случая от информативных факторов.
Анализ признакового пространства показал, что число признаков можно сократить с 30 до 9 за счет исключения тесно взаимосвязанных и малоинформативных показателей.
Эти 9 информативных взаимонезависимых факторов несут информацию о всей исходной системе: глубина разработки, мощность продуктивного пласта, ширина и длина шахтного поля, срок отработки шахты, длина подготови-
тельных выработок, площадь лавы, схема заложения стволов, сечение основного ствола. Полученные зависимости характеризуют степень и характер влияния отдельных факторов.
В соответствии с принятой методикой были определены зависимости вероятности несчастного случая от выбранных факторов. Наиболее характерные зависимости представлены на рис. 1, где видно, что с увеличением параметров Н и И возрастает вероятность несчастного случая. С увеличением глубины разработки от 16 до 100м вероятность несчастного случая возрастет от 0,15 до 1.
Увеличение вероятности травмирования в интервале глубины 20—50 м можно объяснить распространением здесь повторно-жильных льдов, что приводит к ослаблению устойчивости кровли. Активно деформирующийся нижний слой составляет при этом от 0,5 до 2,5 м, в большинстве случаев кровля в камерах-лавах обрушается блоками мощностью 0,5—1 м.
С увеличением глубины разработки несколько усложняются условия эксплуатации выработок за счет повышения горного давления вследствие увеличения массы вышележащей толщи и концентрации максималь-
Рис. 1. Зависимость вероятности несчастного случая на шахте от горнотехнических условий: а - глубины разработки, Н; б - мощности продуктивного пласта, И; в, г, д, - ширины, длины, площади шахтного поля соответственно; е - площади лавы; ж - сроки отработки шахты; з- схемы заложения стволов
Рис. 2. Граф прогноза и управления безопасностью работ с учетом горно-геологических и горнотехнических факторов
ных сдвигающих напряжений; мощности активно деформирующегося нижнего слоя увеличиваются до 4-6 м, возрастает частота местных обрушений кровли.
Существенное влияние на вероятность возникновения несчастного случая оказывает скорость подвигания очистного забоя. Использование самоходного оборудования в очистных выработках глубоких шахт (свыше 50 м) позволяет сократить время отработки камеры-лавы до 6—8 против 10—15 суток при использовании переносного оборудования. Опыт эксплуатации самоходного оборудования на ряде шахт комбината показал возможность отработки глубоких шахт без травматизма.
Зависимость вероятности несчастного случая от мощности продуктивного пласта (рис. 1) показывает, что минимальный уровень безопасности наблюдается при выемочной мощности песков от 1,8 до 2,5 м. С уменьшением мощности вероятность травмирования несколько выше, что обусловлено повышенной травмоопасностью ведения работ в ограниченном пространстве. Рост вероятности травматизма при мощности пласта песков свыше 2,5 м свидетельствует о неприспособленности традиционной технологии к этим условиям, что приводит к выпол-
нению работ в неудобной рабочей позе, повышению тяжести и напряженности труда. Отсутствуют средства оборки заколов при высоте более 2,5 м, даже отдельные камни, упавшие из кровли, при указанной высоте становятся источниками повышенной опасности.
На рис. 1 в, г, д приведена зависимость вероятности несчастного случая от длины, ширины и площади шахтного поля. При ширине шахтного поля от 50 до 150 м вероятность несчастного случая составляет 0,31, при ширине россыпи 150—250 м она возрастет до 0,7. При длине шахтного поля 300— 400 м вероятность травматизма составляет 0,21, при увеличении длины более 500 м, в пределах 500—800, она возрастет до 0,81. Все это свидетельствует о том, что применение традиционной технологии ведения горных работ с использованием переносного оборудования может обеспечить безопасную отработку шахтных полей ограниченной длины и ширины.
Рост вероятности несчастного случая на шахте от 0,21 до 0,81 происходит при увеличении площади шахтного поля от 10000 до 60000м2 больше. Полученная зависимость, по-видимому, обусловлена тем, что увеличение площади шахтного поля при использовании переносного оборудования приводит к росту объемов травмоопасных операций (пе-
реноска оборудования по выработкам, доставка, монтаж, демонтаж скреперных установок и т.д.). Кроме того, это приводит к увеличению площадей обнаженного пространства кровли, ухудшению состояния сети выработок транспортных коммуникаций.
На рис. 1 е представлена зависимость вероятности несчастного случая от площади камеры-лавы. Значительный рост вероятности до 0,81 наблюдается при увеличении площади свыше 750 м2. Этот факт свидетельствует о необходимости корректировки параметров камерно-лавной системы для повышения уровня безопасности труда в россыпных шахтах.
Существенное влияние на вероятность травматизма оказывает срок отработки шахты (рис. 1 ж). Если шахта отрабатывается до 9 месяцев, то вероятность несчастного случая равна нулю, при сроках отработки от 9 до 15 месяцев вероятность растет до 0,33 и увеличивается до 0,57 при сроке свыше 15 месяцев. Холодный период (до 9 мес.) благоприятен для ведения подземных работ (высокая устойчивость выработок, отсутствие водопритока). Ведение добычи летом (свыше 9 мес.) приводит к растеплению пород вскрывающих воздухоподающих выработок, появлению водопритока, усложнению и ухудшению проветривания итд.
На рис. 1 з представлена зависимость вероятности несчастного случая от схемы заложения стволов (центральная и фланговая). Более безопасной является фланговая схема расположения вскрывающих выработок.
Полученные зависимости могут быть положены в основу метода прогноза и управления уровнем травматизма в шахтах на стадии проектирования.
В этом плане наиболее приемлемыми являются модели, построенные методом распознавания образов, позволяющие определять вероятность несчастного случая на шахте в зависимости от параметров горнотехнических факторов. Для наглядности модели представлены в виде графа прогноза и управления по аналогии с графом прогноза эндогенной пожароопасности [3].
В соответствии с комплексом выделенных информативных факторов граф состоит из двух частей: горно-геологической и горнотехнической (рис. 2).
Отдельные уровни графа соответствуют учитываемым факторам, расположенным в
порядке убывания степени их влияния на вероятность несчастного случая на шахте. На каждом уровне можно выделить несколько ветвей, которые расположены сверху вниз в порядке усиления их негативного влияния на травматизм (выше — безопасные, ниже — опасные). Опасные и безопасные ветви выделены на основе изучения степени и характера влияния факторов на травматизм (рис. 2).
Ветви первого уровня графа, построенные по наиболее информативному фактору (глубина залегания песков), разделяют россыпные шахты условно на 4 класса: не опасно (Р==0), малоопасно (Р==0,14), опасно (Р==0,34), очень опасно (Р==1). Ветви второго уровня, построенные по следующему по информативности фактору (ширина шахтного поля), строятся из каждой ветви предыдущего уровня графа и разделяют тем самым каждую ветвь на 2 (опасную 0,7 и неопасную 0,31). Полученные ветви делятся на 3, каждая в соответствии с градацией фактора, находящегося на третьем уровне информативности — мощность пласта (Р равно 0,25; 036; 0,73).
Таким образом, получается граф для прогноза горно-геологических условий. Каждая из ветвей этого графа типизирует сочетание горно-геологических факторов, следствием воздействия которых является определенный уровень потенциальной опасности горногеологических условий данного месторождения.
Этот этап прогноза возможен на стадии разведки месторождений для обоснования выбора первоочередной отработки шахтных полей с потенциально более благоприятными по фактору безопасности горно-
геологическими условиями.
Каждой ветви горно-геологической части графа соответствует определенная горнотехническая ветвь, построенная аналогично, по мере убывания информативности горнотехнических факторов.
Особенность горнотехнической ветви заключается в том, что она либо усиливает степень опасности, либо снижает ее. Учитывая это, с помощью горнотехнической ветви можно вести управление, т.е. направленный выбор более безопасного комплекса горнотехнических факторов (более безопасной ветви горнотехнической части графа). Критерием оптимальности управления служит
минимум вероятности несчастного случая на шахте при данном сочетании горногеологических и горнотехнических факторов.
Для упрощения работы по выбору оптимального варианта на ЭВМ рассчитаны уровни безопасности всех возможных типов (сочетаний) горно-геологических факторов Эти данные сведены в таблицу (рис. 2), где
1. Ахметов О.А., Мусин К.А., Ращенко А.Н., Тяжин Ж., Шетенов К.К. Математическое моделирование уровня тяжести производственного травматизма на подземных работах // Технология процессов разработки твердых полезных ископаемых.- Алма-Ата, 1979.- С. 139-142.
2. Батугин С.А. Решение инженерных задач методами распознавания образцов: Учебное пособие.- Кемерово, 1977.- 47 с.
приведены сочетания факторов при определенных горно-геологических условиях, представляющих 4 уровня безопасности возможных вариантов (безопасные, малоопасные, опасные, очень опасные). Пользуясь этой таблицей, можно подобрать наиболее безопасные варианты отработки при конкретных горно-геоло-гических условиях.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Ковалевская В.А. Прогноз и управление степенью эндогенной пожароопасности выемочных полей шахт Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса. Восточный научно-исследовательс-кий институт по безопасности работ в горной промышленности: Автореф. дис. канд. техн. наук.- М., 1980.- 18 с.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------------------------
Горковенко С.И. — кандидат технических наук, зав. сектором, зам. директора института социальных проблем труда АН РС(Я) по научной работе.
Кивилева Н.М. - кандидат технических наук, доцент педагогического института Якутского государственного университета им. М.К. Амосова.
Шерстов В.А. - доктор технических наук, главный научный сотрудник института горного дела Севера им. Н.В.Черского СО РАН.
------------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ СЕВЕРА
ОГОРОДНИКОВА Наталия Николаевна Разработка технологии ремонтной сварки для повышения работоспособности металлоконструкций горно-транспортного оборудования эксплуатируемого в условиях Севера 05.03.06 к.т.н.
