CC BY
39
УДК 622.411.441:831
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОБРУШЕНИЙ В ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЕ ПОДГОТОВИТЕЛЬНОЙ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ
Геннадий Иванович Кулаков
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории механики горных пород, тел. (383)217-06-07, e-mail: kulakova.38@yandex.ru
Иван Александрович Рыженков
Главное управление МЧС России по Новосибирской области, 630007, Россия, г. Новосибирск, ул. Советская, 4а, тел. (383)223-75-78, e-mail: mchs@nco.ru
Валентина Ивановна Щелканова
Таштагольский горный техникум, Россия, г. Таштагол, ул. Поспелова, 117, кв. 6, заместитель директора по научной работе, тел. (838 473)3-04-77
Виктор Андреевич Шаповалов
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630105, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, соискатель, тел. (383)225-85-36
Рассмотрены способы защиты шахтеров от обрушений горных пород в призабойной зоне горизонтальных горных выработок и способ прогнозирования обрушений и заколообразований на основе непрерывной или периодической регистрации электромагнитного излучения горных пород приконтурной зоны горной выработки.
Ключевые слова: горная выработка, прогнозирование обрушений горных пород, электромагнитное излучение, приконтурная зона.
PREDICTION OF CAVE-INS
IN THE DEVELOPMENT HEADING FACE
Gennady I. Kulakov
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Dr Eng, Principal Researcher, Rock Mechanics Laboratory, tel. (383)217-06-07, e-mail: misd.@nsc.ru
Ivan A. Ryzhenkov
Bureau of RF Ministry of Emergencies in Novosibirsk Region, 630091, Russia, Novosibirsk, 4 Sovetskaya St., tel. (383)223-75-78, e-mail: mchs@nco.ru
Valentina I. Shchelkanova
Tashtagol Technical School on Mining, Russia, Tashtagol, Kemerovo Region, 117 Pospelova St., Deputy Director for Science
Victor A. Shapovalov
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Fellow applicant, tel. (383)225-85-36
In focus are the methods of mine personnel protection from cave-ins in face zones of drifts and the approach to prediction of cave-ins and overhangs based on continuous or periodic recording of electromagnetic emission in wall rocks.
Key words: drift, rock cave-in prediction, electromagnetic emission, wall rocks.
При проведении подземных горных выработок на горных предприятиях обычно широко используется метод взрывной отбойки горных пород. В забое проходимой выработки бурятся, согласно проекта, шпуры, в которых размещаются патроны взрывчатого вещества. Разрушенная взрывом горная порода грузится в вагонетки и транспортируется в отвалы. Погрузка обычно осуществляется специальными погрузочными машинами. После удаления раздробленной породы на участке выработки, где удалили отбитую породу (уголь и т.п.), возводится временная переносная крепь, которая защищает участок выработки еще не закрепленный постоянной крепью от случайных обрушений. Временную крепь образуют следующим образом: на постоянную крепь подвешивают вдоль боковых стенок выработки две металлические трубы длиной 4-5м, продвигают трубы вплотную к забою и настилают на них полок из обрезок плах.
В качестве постоянной крепи используют различные материалы: деревянная крепь, металлическая крепь, бетонная крепь, железобетонная крепь.
На рисунке приведена схема проведения горизонтальной горной выработки трапециевидного поперечного сечения. На разрезе Б-Б приведено вертикальное продольное сечение горной выработки. На правом участке (участок «а») — забой рассматриваемой выработки, из которого удалена отбитая горная масса. Участок «б» — часть выработки, в пределах которого установлена постоянная крепь. На верхнем рисунке приведены поперечные вертикальные сечения А-А и Ai- Ai. На нижнем рисунке приведен общий вид деревянной крепи — трапециевидной рамы, состоящей из двух стоек 6 и верхняка 7. боковые стенки и крепь ограждены затяжками 8 (отрезками деревянных плах или железо-бетонной плиты длиной 1,0-1,2 м (в практике горного дела это затяжки).
На незакрепленном участке выработки (участок «а» на рисунке) цифрой 5 обозначены заколы породы на плоскости забоя, на боковых стенках и на кровле выработки. Такие заколы пород могут обрушаться и травмировать шахтеров, ведущих работы. Одно из назначений временной крепи — исключить возможность падения таких кусков породы.
Однако после взрывания породы в забое, выработка (участок «а») не имеет крепи и здесь практически всегда образуются заколы и нависание кусков породы, обрушаясь они могут травмировать работающих. Для предохранения рабочих на участке, где крепь еще отсутствует, обычно устраивают временную крепь. Обычно это две трубы длиной 4-5 м, подвешенные на участке, где крепь уже имеется (например, участок «в»).
Рис. Подготовительная горная выработка и устройство для прогноза заколов и обрушений: 1 - отвес, 2 - анкер, 3 - подвижный фиксатор, 4 - регистрирующее устройство, 5 - заколы на кровле, забое горной выработки, 6 - стойки крепи, 7 - верхняк крепежной рамы, 8 - затяжки, 9 - порода
Такие трубы после взрывной отбойки продвигают вперед до забоя и на них укладывают затяжки, что предохраняет рабочих от травмирования случайно упавшими кусками породы [1].
Такой способ временной крепи используется на шахтах Кузбасса. Однако рассматриваемая конструкция имеет ряд существенных недостатков. Несмотря на её конструктивную простоту такая временная крепь при её возведении трудоемка. Необходимо при каждом продвигании забоя выработки передвигать вперед упомянутые трубы. На них настилается полок из затяжек или обрезок плах, досок. После окончания бурения шпуров и их заряжения зарядом взрывчатки, полок приходится разбирать. Затем после окончания взрывных работ, полок необходимо снова собирать.
Проблему можно было бы существенно упростить, если бы каким либо способом узнать, какой участок в пределах призабойной незакрепленной части выработки может обрушиться. Шахтеры обычно по звукам из массива пород оценивают наличие таких участков и, используя ломик или длинную штангу, на такие ослабленных участках производят оборку (оборка обнаженных породных стенок выработки, ПБ п. 149 [2]).
В лаборатории механики горных пород ИГД СО РАН разрабатывается метод прогноза заколов и вывалообразований горных выработках с использованием электромагнитного излучения деформируемых горных пород [3,4].
Метод основан на использовании разработанных (с участием специалистов НГТУ) приборов типа РЭМИ-2 и ИЭМИ-1; приборы малогабаритны: 140 х 70 х 25 мм, масса 250г.
Разработаны два варианта прогнозирования обрушений с упомянутыми приборами: прибор находится в кармане спецовки одного из рабочих или подвешен на крепи.
Принцип работы приборов. Горные породы разрушаются за счет формирования трещин и микротрещин. В процессе возрастания напряжений в каком-либо участке массива пород начинают формироваться микротрещины, последние при возрастании напряжений прорастают и объединяются, формируя трещины. При дальнейшем возрастании напряжений трещины объединяются, постепенно формируя трещины больших размеров. В горных породах всегда имеются свободные электроны, реже заряженные ионы. Электроны, оказавшиеся вблизи поверхности микротрещины, при некоторой скорости их движения могут преодолеть потенциальный барьер и вылететь в пространство трещины или микротрещины. В процессе деформирования породы стенки трещин и микротрещин перемещаются в пространстве, вместе с ними перемещаются электроны и заряженные ионы. В соответствие с законами физики, движущиеся в пространстве заряженные частицы излучают электромагнитные волны (в частном случае, это радиоволны). Электромагнитные волны обычно регистрируют с помощью антенн, магнитных (виток изолированного проводника) или емкостных (типа конденсатора). Электромагнитная волна, проходя через антенну, наводит в ней ток, движущиеся заряды создают электромагнитное поле.
Указанные выше приборы снабжены цифровыми индикаторами и сигнализатором, звуковым и световым.
Приборы ИЭМИ-1 или РЭМИ-2 позволяют регистрировать опасность обрушения. В этом случае опасность обрушений будет определяться по звуковому сигналу прибора либо по интенсивности регистрируемого электромагнитного излучения. Прибор будет находиться у проходчиков, работающих в упомянутом забое. Прибор может находиться либо в нагрудном кармане одного из рабочих, либо подвешен на крепи выработки. Рабочие, пришедшие в забой в начале смены, смогут с помощью упомянутого прибора оценить наличие возможных участков обрушения и
произвести оборку таких участков. При этом упомянутый контроль можно осуществлять в процессе смены, например, перед выполнением работ по бурению шпуров, после выполнения взрывных работ по возведению крепи. Метод опробован в условиях Таштагольского рудника [5].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Макаров В.М., Котов Г.Н., Зубань В.А. Применение временных крепей в забоях подготовительных выработок шахт Кузбасса // Вопросы безопасности в угольных шахтах. Труды ВостНИИ, т. IX, Изд-во «Недра», М., 1969. - С. 244-253.
2. Правила безопасности в угольных шахтах. ПБ 05-018-03. Выпуск 11.Серия 5 Нормативные документы по безопасности, надзорной и разрешительной деятельности в угольной промышленности. Изд-во ФГУП «Промышленная безопасность», М., 2005.
3. Яковицкая Г.Е. Методы и технические средства диагностики критического состояния горных пород на основе электромагнитной эмиссии. - Новосибирск: Изд-во ИГД СО РАН, 2009. -314 с.
4. Курленя М.В., Вострецов А.Г., Кулаков Г.И., Яковицкая Г.Е. Регистрация и обработка сигналов электромагнитного излучения. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000.
5. Ваганова В.А., Шипеев О.В. Региональные методы контроля напряженно-деформированного состояния массива горных пород, используемые при отработке Таштагольского месторождения // Сб. докл. науч.-прак. конф. по горным ударам «Оценка современных достижений в области безопасной отработки удароопасных месторождений, методы прогноза и предупреждения горных ударов». - Таштагол, 2000. - С. 12-23.
© Г. И. Кулаков, И. А. Рыженков, В. И. Щелканова, В. А. Шаповалов, 2014
