CC BY
5
фундаментов зданий и сооружений пространственные структуры путем объединения их в плане и по высоте для совместной работы.
Изменяя длину, толщину, высоту и прочностные показатели твердеющего материала армоэлементов, способ позволяет в широком диапазоне менять степень армирования грунтового массива и его геотехнические характеристики.
Использованные источники 1. «Справочник по инженерной геологии» под общей редакцией М.В. Чуринова, «Основания и фундаменты» Э.В.Костерин
УДК 622.272.63
Игизбаев К.Б., кандидат технических наук
горный инженер доцент
ТОО «РПИ ВИЭ Проект» Республика Казахстан, г. Алматы
Игизбаев М. К. горный инженер ТОО «РПИ ВИЭ Проект» Республика Казахстан, г. Алматы
Магер А. Н. горный инженер ТОО «РПИ ВИЭ Проект» Россия, г. Москва Игизбаев Р. К. ТОО «РПИ ВИЭ Проект» Республика Казахстан, г. Алматы ПРОИСХОЖДЕНИЕ, ПРОГНОЗ И ПРЕВЕНЦИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ КАТАСТРОФ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ Аннотация: В настоящей статье излагается суть разработанной авторами теории проявления геомеханических катастроф первого рода, а именно проявления механических разрушений геологических тел полезных ископаемых и вмещающих пород. Излагается также результаты более, чем 20-ти летней положительной промышленной апробации основанного на этой теории способа прогнозирования пространственных дислокаций в шахтном поле очагов имеющих природное происхождение механических разрушений геологических тел полезных ископаемых и вмещающих пород. Излагается научная концепция обобщения геомеханических катастроф первого рода на геомеханические катастрофы происходящие в угольных шахтах , а именно на внезапные выбросы угля и газов и последующих за ними взрывы газов и подземные пожары.
Ключевые слова: Геомеханические катастрофы, гомогенные, гетерогенные, пространственные дислокации очагов неравномерных и неоднородных концентраций метана.
Igizbaev K.B,. candidate of technical sciences
mining engineer associate professor LLP ""EPI RES Project"" The Republic of Kazakhstan, Almaty
Igizbaev M. K. mining engineer LLP "EPI RES Project"" The Republic of Kazakhstan, Almaty
Mager A.N. mining engineer LLP "EPI RES Project"" Russia, Moscow Igizbaev R.K. LLP ""EPI RES Project"" The Republic of Kazakhstan, Almaty ORIGIN, FORECAST AND PREVENTION OF HETEROGENEOUS GEOMECHANICAL DISASTERS IN COAL MINES
Abstract: This article describes the essence of the theory developed by the authors of the manifestation of geomechanical catastrophes of the first kind, namely, manifestations of mechanical destruction of geological bodies of minerals and host rocks. The results of more than 20 years of positive industrial approbation based on this theory of the method for predicting spatial dislocations in the mine field offoci of natural destruction of geological bodies of minerals and host rocks, which have a natural origin, are also presented. The scientific concept of the generalization of geomechanical catastrophes of the first kind to geomechanical catastrophes occurring in coal mines, namely the sudden release of coal and gases and subsequent explosions of gases and underground fires, is presented.
Key words: Geomechanical catastrophes, homogeneous, heterogeneous, spatial dislocations of foci of uneven and inhomogeneous concentrations of methane.
Первое упоминание о внезапных выбросах угля и газа относят к 1834 году, когда на шахте «Исаак» угольного бассейна Луары во Франции впервые было зарегистрировано это явление. С тех пор в разных странах мира их произошло более 30 тыс., и едва ли не каждый взрыв становился причиной массовой гибели шахтеров и масштабных разрушений. С XIX века и по настоящее время ученые в разных странах мира изучают природу этого опасного явления, пытаясь ему противодействовать, однако количество взрывов и, соответственно, их жертв только растет.
Приведем некоторые понятия и определения, знания которых необходимы для понимания геомеханических катастроф в очистных пространствах шахт.
Катастрофа. По определению слово катастрофа означает переход какой-либо системы (например: тел, полей) из одного состояния устойчивости в другое.
Геомеханические катастрофы различают катастрофы первого и второго родов.
Геомеханической катастрофой первого рода или гомогенной геомеханической катастрофой считается самопроизвольные (спонтанные) разрушения или саморазрушения конструкции систем эксплуатации месторождений, происходящих при подходе очистных работ к опасным (опасным с точки зрения разрушения угля, руд и пород) очагам шахтного поля. Они проявляются в виде их отслоений, разрушений, обрушений, массовых обрушений, массовых обрушений с прорывами на дневную поверхность. Геомеханические катастрофы первого рода происходят в очистных пространствах шахтного поля, несмотря на отсутствие технологических нарушений при реализации основных производственных процессов очистной выемки - отбойки литологических разностей (угля, руд и пород) и управления горным давлением. Проявление геомеханических катастроф первого рода имеет гомогенное происхождение и именуется еще как гомогенная геомеханическая катастрофа. Геомеханические катастрофой первого рода имеют природное происхождение.
Примечание. На практике имеют место, также отклонения фактических конфигураций конструкций систем подземной эксплуатации от предусмотренных проектом. Эти отклонения обусловлены издержками, связанными с несовершенствами применяемой современной горной технологии или ошибок горнотехнического персонала. Разрушения подобного рода не относятся к геомеханическим катастрофам первого рода. Их удельный вес в общей структуре разрушений литологических разностей незначителен и составляет - (3-5)%.
Гетерогенные геомеханические катастрофы в угольных шахтах включают отмеченные выше геомеханические катастрофы первого рода, а также геомеханические катастрофы второго рода, которые включают химический процесс - взрыв метана, возгорание и пожар. Следует заметить, что между катастрофами первого и второго родов имеет место выброс угля и газов.
Несмотря на усилия научных, проектных и производственно-научных организаций до настоящего времени не удается разработка и реализация мер по предотвращению, как геомеханических катастроф первого, так и второго родов. Причиной этого служат отсутствия способов их прогнозирования.
Авторами разработаны в порядке частной инициативы, фундаментально-прикладные разработки, для решения проблемы прогнозирования и превенции геомеханических катастроф в шахтах, которые не имеют аналогов в мировой горной науке и практике и представляют собой научно-технический прогресс (НТП):
1. «Теория геомеханических катастроф в выработанных пространствах шахт». (Авторы: научный руководитель - канд. техн. наук, доцент - К.Б. Игизбаев, горные инженера: М.К. Игизбаев А.Н. Магер, Р.К. Игизбаев).
2. «Способы прогнозирования и превенции геомеханических катастроф в очистных пространствах шахт и прорывов их на дневную поверхность». (Авторы: научный руководитель - канд. техн. наук, доцент -К.Б. Игизбаев, горные инженера: М.К. Игизбаев А.Н. Магер, Р.К. Игизбаев).
3. Предлагаемые способы прошли непрерывную 20-ти летнюю широкомасштабную положительную промышленную апробацию применительно к условиям эксплуатации крупных горнодобывающих предприятий Республики Казахстан и высоко оценены:
- положительными протокольными решениями головных научно-исследовательских и проектных институтов бывшего СССР Министерств цветной и черной металлургии бывшего СССР: - ВНИМИ, Ленгипроруда (г. Санкт-Петрбург), НИГРИ (г. Кривой Рог), Гипроцвемет (г. Москва), Государственный институт горно-химического сырья (ГИГХС) Министерства химической промышленности бывшего СССР (г. Москва), а также столичных ВУЗов - Московский горный институт, Московский геолого-разведочный институт. А также в Республике Казахстан - Института математики и механики Академии наук Казахской ССР, Министерства Промышленности и Торговли РК, Госгортехнадзора Казахской бывшего ССР, МЧС РК, Зам. Премьер-Министра РК Н. Макиевский, и др.;
- протокольными решениями производственно-технических совещаний крупных горнодобывающих предприятий Казахстана - Жезказганского горно-металлургического комбината (г. Жезказган), Соколовско-Сарбайского горно-производственного объединения (ССГПО, г. Рудный), Ачисайского полиметаллического комбината (г. Кентау).
Примечание. В протоколе производственно-технического совещания ССГПО отмечено, прогнозы автора были выполнены за 10 лет до начала очистных работ на горизонте +40,0 м Соколовского подземного рудника (СПР). Отметим, что фактические контуры отработанных камер были сняты с использованием прибора снятых с военной авиации и переданы гражданской промышленности и обладали высокой точностью измерения.
Юридическая защищенность научно-технической разработки авторов.
1. Многочисленные публикации в отечественных и зарубежных журналах.
2. Инновационный патент №25481, 25.01.2012г, выданный РГКП «КазПатент» Республики Казахстан под наименованием: «Способ подземной разработки месторождений полезных ископаемых, предотвращающий геомеханические катастрофы».
3. Проведены фундаментально-прикладные исследования по госбюджетной теме: «Разработка методов и математических моделей прогнозирования возможных проявлений геомеханических процессов»,
Заказчик Министерство образования и науки Республики Казахстан. 2009-2011г.г. Научный руководитель, канд. техн. наук, доцент - К.Б. Игизбаев.
В настоящее время способы прогнозирования и превенции первого рода геомеханических катастроф в очистных пространствах шахт обобщены на случай прогнозирования и превенции гетерогенных геомеханических катастроф происходящих в угольных шахтах. Ниже излагается аннотация предлагаемых способов прогноза и превенции в очистных пространствах шахт.
Они базируются на новой науке под названием Топология метрических пространств и Механика месторождений полезных ископаемых, основы которой заложены авторами. Названная выше наука основана на синтезе теории методов и средств следующих наук:
- математических наук - Математического анализа; Высшая неэвклидова геометрия; Аналитической и дифференциальной геометрии; специальных разделов математики - Теории множеств и Общей топологии;
- прикладных наук - Математической или Аналитической геологии (Геотектоники); Геометрии недр; Структурная геология; Механики деформируемых сред (Теорий упругости и пластичности) и Теории прочности.
Топология метрических пространств и Механика месторождений полезных ископаемых включает теории приуроченных к месторождениям природных полей названных авторами геоструктурными полями. К ним относятся:
- Гравитационные и тектонические поля напряжений;
- Поля сплошных (непрерывных) и прерывистых (трещинных) деформаций;
- Поля тектонических разрывов;
- а также поля различных деформационных и прочностных характеристик геологических тел.
Авторами разработаны способы интерпретации указанных полей на горно-геометрических графиках (планах и вертикальных разрезах горных работ). Интерпретация этих полей основана на использовании известных из геометрии недр методов математической теории топографических поверхностей, а также методов математической геотектоники.
Авторами выполнены многочисленные графики результирующих полей напряжений в главных сечениях геологических тел полезных ископаемых и налегающих пород, которые интерпретируются их сетками скольжений. Путем совместного анализа полученных графиков и планов, а также вертикальных проекций горных работ с нанесенными на них контурами зон разрушений очистных пространств отработанных шахтных полей установлена закономерность, связывающая конфигурации объемов разрушений литологических разностей с конструкциями полей скольжений. На основе этой закономерности разработана теория геомеханических
катастроф в очистных пространствах шахт, и на основе эксплуатации, которой разработаны способы прогнозирования и превенции:
- первого рода геомеханических катастроф в очистных пространствах шахт, при ведении горных работ по проектному варианту.
Пример. На рисунке 1 показан план горных работ шахты №45 Жезказганского рудоуправления Жезказганского горно-металлургического комбината. На этом рисунке показан план горных работ соответствующий проектному варианту отработки этой залежи, совмещенный с сеткой скольжения на одной из главных поверхностей тектонических сдвиговых деформаций.
При попытке ведения очистной выемки запасов структурного блока, обозначенного участка I, происходили самопроизвольные разрушения (геомеханические катастрофы первого рода) рудных стенок в виде клина abcd, а также породной кровли камер в виде свода def (Рисунок 2 д)). Клин abcd состоит из нескольких более мелких блоков, контуры и последовательность сползания которых показаны на рисунках 2 (а-д).
В виду проявления геомеханической катастрофы первого рода описанного выше характера, запасы руды данной камеры в теле структурного блока I были потеряны. По аналогичным причинам были потеряны запасы руд смежных камер в теле структурного блока I. Структурный блок I представляет опасный очаг первого рода поля шахты №45. Иными словами, запасы структурного блока I полностью были потеряны. По аналогичной причине были полностью потеряны запасы руд в теле структурного блока II, который также представлял опасный очаг первого рода.
Потери в указанных очагах I и II структурных блоков доходили до 50% и они были сверхнормативными.
Гетерогенные геомеханические катастрофы. Прогноз и превенция.
Научная концепция. Основу наук о месторождениях полезных ископаемых составляет Геохимия недр Земли. Согласно которой месторождения полезных ископаемых представляют геохимическое поле. При этом под геохимическим полем понимается одном случае - поле промышленной концентрации минералов, а в другом же - некоторое структурно-тектоническое поле. В свою очередь, структурно-тектонические поля представляют совокупность или объединение (логическую сумму) множеств геологических тел полезных ископаемых и их вмещающих пород. Геологические тела полезных ископаемых и вмещающих пород представляют совокупность тектонических структурных форм - слоев, мелких геологических складок с системами пересекающихся в них поверхностей тектонических трещин и разделенных разрывными нарушениями, к которым приурочены перечисленные выше геоструктурные поля.
Минералы различают - твердые, жидкие и газообразные. Например, применительно к угольным месторождениям к газообразным минералам
относятся метан, окись углерода и др. Одним из основных утверждений учения о геохимии недр земли является кусочно-гомеоморфная связь форм и содержания минералов, в частности метана. Это означает, неоднородность концентрации метана по различным очагам шахтного поля и непрерывность изменения концентрации метана в каждом из очагов. Такое изменение характерно и для других разновидностей минералов - жидких, твердых. При этом в пределах одного и того же крупного пласта может иметь место очаг с максимальным содержанием концентрации метана относящийся к категории безопасный. В других частях могут быть очаги с максимальным содержанием концентрации метана, и эти очаги относятся к категориям -опасный или сверхопасный.
В свете изложенного, научная концепция авторов по превенции гетерогенных геомеханических катастроф предусматривает:
1. Разработка горно-геометрических графиков с указаниями на планах и вертикальных разрезах пластов угля и вмещающих пород прогнозных конфигураций объемов и пространственных дислокаций опасных, опасных с точки зрения самопроизвольных (спонтанных) разрушений угля и вмещающих пород, очагов шахтного поля, аналогичных выше обозначенных I и II.
2. Разработка горно-геометрических графиков с указаниями на планах и вертикальных разрезах пластов угля и вмещающих пород прогнозных конфигураций объемов и пространственных дислокаций очагов неравномерных концентраций газов, в частности метана, с различными максимумами их (очагов) значений содержания метана.
3. Разработка технических мер по превенции самопроизвольных (спонтанных) разрушений литологических разностей (угля и пород) в опасных очагах шахтного поля.
4. Разработка проектов оптимальной дегазации угольного пласта до снижения содержания метана в очаге с первоначально наивысшим значением максимума его содержания до предельно допустимой нормы.
5. В результате вышеуказанных мер, любое шахтное поле, будь оно сверхопасное или опасное будет доведено до категории безопасной.
6. Доразведка содержания концентрации метана по шахтному полю будет осуществляться путем бурения дополнительных разведочных скважин, определяемых по сетке и расположению в шахтном поле по рекомендациям авторов.
Цель оптимальной дегазации - доведение угольного месторождения опасного или сверхопасного по содержанию газов до категории безопасный и достижение на этой основе превенции геомеханических катастроф второго рода, с одновременной утилизацией подземных газов.
Оптимальная дегазация внутреннего контура шахтного поля равно как очистная выемка его запасов будет вестись при непрерывном поддержании оптимальной дегазации его внешнего контура.
Целью оптимальной дегазации внешнего контура шахтного поля является недопущение поступления метана в очистное пространство шахтного поля из внешнего контура.
Далее, одновременно устанавливаем на планах и вертикальных разрезах горных работ контуры «опасных очагов». В дальнейшем все перечисленные предпроектные решения, будут переданы Генпроектировщику для разработки проектов горнодобывающих работ эксплуатационных горизонтов шахт.
Выемку запасов угля в зонах свободных от опасных очагов первого рода будет производиться по разработанным Генпроектировщиком типовым проектам отработки угольного пласта.
«Опасные очаги» проявлений геомеханических катастроф остаются не тронутыми. Целесообразность выемки оставленных в опасных очагах запасов угля с применением специальных методов должна устанавливаться на основе анализа технической возможности и экономической целесообразности.
Входными данными, для выполнения перечисленных операций служат имеющиеся на угледобывающем предприятии вертикальные геологические разрезы пластов угля и пород, построенные по данным детальной, и уточняемых данными эксплуатационной разведок шахтного поля, их физико-механические свойства, а также материалы описывающие этапы формирования тектонической структуры данного месторождения и др.
Механизм образования гетерогенных геомеханических катастроф в угольных шахтах. Термодинамические основы происхождения гетерогенных геомеханических катастроф в угольных шахтах.
Целесообразно вести изложение концепции на примере конкретной гетерогенной геомеханической катастрофы произошедшей в угольной шахте. В качестве таковой выбрана шахта «Северная». Поскольку по этой катастрофе дана наиболее достоверная, объемная и в той же степени честная информация главой Ростехнадзора А.В. Алешиным. 25 февраля 2016 года в шахте «Северная» произошел внезапный выброс угля и взрыв метана. Система аэрогазового контроля (АГК), в 14 часов, 09 минут 28 секунд зафиксировала повышенную концентрацию метана в 30-100 раз превышающую предельно допустимые нормы, в этот же момент датчик, который фиксирует наличие электричества, показал, что цепь была отключена. На 58 секунде, когда идет повторное тестирование датчиков, они показали, что все датчики разрушены. Взрыв произошел, по времени между 14 часами 09 минут 28 секунд и 14 часами 09 минут 58 секунд (по данным Ростехнадзора РФ). В результате последовавшей вслед за первым взрывом серии взрывов, погибло 31 горняков и пять спасателей. Возникший в выработках пожар ликвидировать не удалось, поэтому шахту затопили. Стенограмма из интервью главы Ростехнадзора Александра Алешина программе "Мнение" с Эвелиной Закамской.
Шрв://№№^уои1:иЬе.сотМа1:сЬ?у= ёхп87б БММо. Опубликовано: 2 марта 2016 г.).
На момент происхождения взрыва, электроэнергия питающая машины и оборудования в забое была полностью отключена. Причиной взрыва является искра, которая не имеет отношение к электроэнергии машин и оборудований, работавших в забое.
Как было сказано выше, гетерогенные геомеханические катастрофы включают два процесса - механические и химические. Механический процесс предшествует химическому процессу (взрыву и горению) и представляет собой самопроизвольные (спонтанные разрушения) угольного и породного пластов в первого рода опасных очагах шахтного поля. Оно (разрушение) происходит в виде расчленения литологических разностей на мелкие куски, множество которых, устремляется в выработанное пространство с большой скоростью. Разлетающиеся с большими скоростями куски литологических разностей под влиянием давления высвободившихся газов обладают большими значениями кинетической энергии, сопровождающееся их (кусков) трением между собой и соударением друг о друга, вызывающее искрообразование. Силы трения между кусками литологических разностей, а также силы соударения кусков друг о друга имеют глубокую электромагнитную и квантовую природу, ибо в природе не существует чисто механических сил. Действие этих сил сопровождаются выделением тепла и искрообразования. Тепло и искры инициируют взрыв метана и угольной пыли, последствием которого является возгорание и пожар, то есть химические процессы.
Следствие взаимодействия перечисленных выше указанных тел и физико-химических полей представляет термодинамические аспекты происходящих в угольных шахтах гетерогенных геомеханических катастроф. Повторяем, инициатором взрыва метана и угольной пыли и последующего за ним возгорания и пожаров являются искры, возникающие вследствие геомеханической катастрофы первого рода или механического разрушения угля и вмещающих пород.
Ниже излагается химический процесс геомеханической катастрофы второго рода и объяснение причин происхождения взрыва в угольных шахтах, связанных с внезапными выбросами угля и газа, с позиций теорий взрывов взрывчатых веществ и газовоздушных смесей.
Для производства взрыва взрывчатых веществ и газовоздушных смесей необходимы следующие условия:
1) наличие горючего вещества (газа - метана; газа - метана и твердых частиц угольной пыли) или же одного из составляющих взрывчатого вещества - горючего;
2) наличие окислителя (в данной области в качестве окислителя рассматривается только кислород воздуха), или же одного из составляющих взрывчатого вещества - окислителя;
3) наличие инициатора или детонатора взрыва.
1. Наличие горючего вещества: газа - метана; газа - метана и твердых частиц угольной пыли. В данном случае метана, который может взорваться только при его следующих концентрациях в воздухе - нижних и верхних пределах взрываемости метана (5-16)%, при этом:
- нижний предел - 5%;
- верхний предел - 16%.
Если содержание метана в метановоздушной смеси меньше нижнего предела воспламеняемости или взрываемости, такая смесь гореть и взрываться не может, поскольку выделяющейся вблизи источника зажигания теплоты, для подогрева метановоздушной смеси до температуры воспламенения и взрывания недостаточно.
Если содержание метана в метановоздушной смеси находится между нижним, и верхним пределами воспламеняемости и взрываемости, подожженная метановоздушная смесь воспламеняется и горит как вблизи источника зажигания, так и при удалении его. Такая метановоздушная смесь является взрывоопасной. Чем шире будет диапазон пределов воспламеняемости и взрываемости и ниже нижний предел, тем более взрывоопасен метан.
И наконец, если содержание метана в метановоздушной смеси превышает верхний предел воспламеняемости и взрываемости, то количества воздуха в метановоздушной смеси недостаточно для полного сгорания метана и взрыва.
Участие угольной пыли в газовоздушной метановой среде снижает нижний предел взрываемости метана до 3-4%. За счет участия угольной пыли во взрыве метана повышается сила взрыва, часто на порядок выше по сравнению, со взрывом только метановоздушной смеси.
2. Окислитель - кислород воздуха. При гетерогенных геомеханических катастрофах, связанных с внезапными выбросами угля и газов и дальнейшим взрывом, окислителем выступает кислород воздуха. Воздух попадает в горные выработки через систему вентиляции.
3. Наличие детонатора или инициатора взрыва. Инициатором взрыва метановоздушных смесей является искра, открытое пламя, высокая температура. Инициатором взрывчатого вещества является патрон-боевик с детонирующим шнуром, патрон-боевик с волноводом и электродетонатором.
Детонатором при взрыве метановоздушной смеси выступает искра, которая возникает в опасных очагах обрушения, (опасных с точки зрения разрушения угля и вмещающих пород. Искра возникает вследствие механического разрушения угля и вмещающих пород, при трении угля и вмещающих пород друг о друга (искры трения), и последующего их разлета и соударения их друг о друга (искры удара), происходящего с большой скоростью и с высоким давлением, что сопровождается выделением большого количества тепла и высокой температуры, превышающие температуру воспламенения метана, а это также может привести к взрыву.
Искры при ударе и искры при трении, являются результатом перехода механической энергии, в данном случае механической энергии разрушения угля и вмещающих пород в тепловую энергию разрушения угля и вмещающих пород. Искры при ударе более опасны, чем искры при трении. Это объясняется тем, что при ударе происходит дополнительный нагрев, и часть энергии передается метановоздушной смеси в точке соприкосновения соударяющихся тел. Они относятся к низкокалорийным источникам тепла и служат источниками зажигания метановоздушных смесей, а также могут вызывать появление очагов тления при попадании на отложения угольной пыли. При механическом разрушении угля и вмещающих пород от искр удара воспламеняются метановоздушная смесь и другие вещества. Температура искры повышается с увеличением содержания углерода.
Выделяющиеся в процессе разрушения угля и вмещающих пород угольная пыль и газы, в начальный момент в (30 - 100) раз превышающие предельно допустимые нормы, рассеиваются по выработанному пространству с большой скоростью и давлением. Взрыв происходит в момент, когда содержание метана в воздухе, в зоне обрушения, снижается до пределов - (5-16)%. То есть концентрация метана в воздухе, в процессе рассеивания его в воздухе выработанного пространства, снижается до уровня (5-16)%, что соответствует пределам нижней и верхней концентрациях метана в воздухе, при которых метан взрывоопасен. А с наличием угольной пыли взрывоопасная концентрация создается при снижении концентрации метана в метановоздушной смеси в пределах (3-16)%. При этом в выработанном пространстве присутствует достаточное количество кислорода воздуха, способствующее процессу взрыва, даже после отключения системы вентиляции. Наличие угольной пыли только лишь усиливает действие взрыва.
Причины срабатывания и отказов срабатывания датчиков системы аэрогазового контроля (АГК), в зависимости от выделения концентрации метана: выше верхнего предела взрываемости метана; в пределах нижней и верхней взрываемости метана; в пределах ниже нижнего предела взрываемости метана.
1. При выделении повышенной концентрации метана в 30-100 раз превышающих предельно допустимые нормы, вследствие механического разрушения массивов угля и вмещающих пород, в опасных очагах обрушений, с большой скоростью, и высокими давлением и температурой, метан достигает датчиков системы АГК и система АГК срабатывает. Происходит отключение электрической энергии машин и оборудований, используемых при добыче угля. Взрыв при этом не происходит, поскольку концентрация метана в воздухе гораздо выше верхнего предела взрываемости. Взрыв происходит после рассеивания метановоздушной смеси по горной выработке и снижения концентрации метана между его верхним и нижним пределами взрываемости при возникновении искры,
вследствие механического разрушения угля и пород, являющимся инициатором взрыва.
2. Выделение повышенной концентрации метана, в пределах верхней и нижней границ взрываемости - (5-16)%, а с участием угольной пыли нижний предел взрываемости снижается до (3-4)%, вследствие механического разрушения угля и вмещающих пород в опасных очагах обрушений, сопровождается возникновением: высокого давления, высоких температур, искр трения, и искр удара, имеющих место при трении, разлете, и соударении кусков угля и вмещающих пород. В этом случае, взрыв происходит одновременно с началом механического разрушения угля и вмещающих пород. Поэтому выделившийся метан не успевает достигать датчиков АГК и соответственно не успевает отключить электроэнергию. Датчики разрушаются под действием ударной волны взрыва и разлета кусков, разрушающихся угля и вмещающих пород.
3. Есть случаи обрушений опасных очагов с внезапными выбросами угля и газов, но без сопровождения их последующими взрывами. Это происходит в опасных очагах обрушений, в которых в процессе проведения дегазации, концентрация метана снизилась до предельно допустимого уровня, еще до вскрытия этих зон очистными работами, или же в которых концентрация метана присутствовала изначально в пределах нормы. В этом случае АГК, также не будет отключать электроэнергию, поскольку выделившийся в процессе обрушения метан и его концентрация не превышает предельно допустимой нормы или же ниже нижнего предела воспламеняемости и взрываемости. В данном случае имеет место геомеханическая катастрофа первого рода, поскольку в процессе проведения дегазации данного участка, концентрация газов снижена до предельно допустимых норм или же в этой зоне концентрация метана изначально присутствует в пределах нормы. Происходит выделение газов и угольной пыли в предельно допустимых нормах или же ниже нижнего предела взрываемости метана, которое не вызывает происхождения гетерогенной геомеханической катастрофы и с которой справляется система вентиляции в штатном режиме.
В этом и есть причина, почему АГК в одном случае успевает срабатывать на повышенное выделение метана, а другом случае нет.
Применяемые в настоящее время современные методы и средства по предотвращению взрывов в угольных шахтах, в связи с выделением повышенной концентрации метана и угольной пыли, сводятся к отключению электрической энергии машин и оборудований, применяемых при добыче угля, для исключения возникновения искры. Отключение электрической энергии машин и оборудований, используемых при добыче угля, никак не связаны, с возникновениями искры и высокой температуры, при разрушении массива угля и вмещающих пород в опасных очагах обрушений, которые являются причиной гетерогенных геомеханических катастроф в угольных шахтах.
Система АГК в шахте «Северная», сработала и электроэнергия, питающая машины и оборудования была отключена, но взрыв произошел.
И поэтому применением этих методов и средств невозможно предотвратить гетерогенные геомеханические катастрофы, связанные с внезапными выбросами угля и газов в угольных шахтах. Поскольку источником или инициатором взрыва, является искра и высокая температура, возникающая в результате проявления геомеханических катастроф первого рода - механического разрушения массива угля и вмещающих пород в опасных очагах (опасных с точки зрения разрушения угля и пород), вследствие трения, разлета и соударения разрушающихся кусков угля и вмещающих пород вызывающих искрообразование.
Описанные выше, вредные проявления механического и химического процессов происходят безотносительно действующего горнотехнического персонала, по причинам природного их (процессов) происхождения и во многих случаях обвинения вынесенные руководителям надзорных органов, руководителям предприятий, горным инженерам и горнорабочим, в связи с тем, что они нарушили ПТЭ, ЕПБ, ПТБ не обоснованы.
В настоящее время наметились две тенденции по предотвращению гетерогенных геомеханических катастроф. Процесс реструктуризации (гевгис1:ип7а1:юп - перестройка, перепланирование, реорганизация, структурные преобразования, восстановление структуры) угольной отрасли промышленности, который прошел во многих странах мира имел различные ее (реструктуризации) направления.
1). Одни страны сосредоточили основное направление реструктуризации своей угольной промышленности на повышение темпов научно-технического прогресса и наращивании объемов добычи угля.
Исследования ученых во всем Мире, по обеспечению безопасной отработки угольных шахт связанных с внезапными выбросами угля и газов, направлены на совершенствование:
- машин и оборудований, применяемых при добыче угля с целью обеспечения их искробезопасного исполнения;
- приборов, оборудований и аппаратуры газовой защиты - системы аэрогазового контроля (АГК), и т. д;
- всевозможных комбинаций систем разработки (система разработки с нижней подработкой угольного пласта), и т. д.
Такая тенденция к подходу решения проблемы по борьбе с гетерогенными геомеханическими катастрофами является однобокой. Эта однобокость состоит в отсутствии в существующих концепциях по борьбе с геомеханическими катастрофами учета влияния факторов описанного выше термодинамического аспекта их проявления. Поясним сказанное. Совокупность угольных и вмещающих породных пластов, и приуроченных к ним перечисленных выше геоструктурных и геохимических полей образуют термодинамическую систему. В состоянии естественной упаковки геологических тел данная термодинамическая система находится в
состоянии равновесия, то есть не происходит никаких разрушений и катастроф. При «возмущении» данной термодинамической системы внесением в нее (систему) очистной выработки происходит нарушение ее естественного равновесного состояния, которое в опасных очагах первого и /или второго родов сопровождается геомеханическими катастрофами, соответственно, первого и/или второго родов, имеющее природное происхождение. Об этом было сказано выше.
Поэтому использование приборов, аппаратур и др. основанное на этой тенденции без учета термодинамических аспектов проявлений геомеханических катастроф, не дало желаемых результатов, ибо на его основе не были достигнуты ни прогнозирование, ни тем более превенция гетерогенных геомеханических катастроф в угольных шахтах.
Сформулированное нами утверждение подтверждается на следующем примере.
Пример. Оценка гетерогенной геомеханической катастрофы в шахте «Северная» озвученная специалистами.
1. «В качестве основной причины аварии Техническая Комиссия в данный момент рассматривает геологический фактор, а не нарушение эксплуатации оборудования в связи с техническим или человеческим фактором». (http://www.severstal. com/rus/media/news/documenÜ3431 .phtml).
2. «Авария на шахте «Северная» в Воркуте имеет природный характер. Об этом сообщил глава Печорского отделения Ростехнадзора Александр Гончаренко на оперативном совещании, которое провел вице-премьер Аркадий Дворкович». (http:// tass.ru/proisshestviya/2713098).
Это свидетельствует о том, что произошедшая катастрофа является следствием возмущения описанной выше термодинамической системы внесением в нее очистной выработки в очаге гетерогенной геомеханической катастрофы.
Примечание. Термин «геологический фактор» или «природный характер» часто употребляемый в таких случаях характеризуется неопределенностью, так как при употреблении этих терминов остается неопределенным сам описанный нами механизм (модель) гетерогенной геомеханической катастрофы. Эта неопределенность объясняется имевшей до настоящего времени неизвестностью для широкого круга специалистов разработанной авторами теории геомеханических катастроф.
2). Другие страны главными направлениями реструктуризации выбрали наиболее кардинальный путь - ликвидацию угольных шахт. В основном процессу реструктуризации (ликвидации) подверглись угольные шахты, которым добываются коксующийся уголь, и который по всему миру залегает только на глубине, где они образовались под воздействием высоких давлений и температуры. Именно коксующийся уголь востребован на мировом рынке, и цена его в настоящее время растет, вследствие закрытия угольных шахт по всему миру.
Россия выбрала путь, направленный на ликвидацию угольных шахт. Основными причинами закрытия угольных шахт являются высокий травматизм и высокая аварийность угольных шахт и как следствие их убыточность. В настоящее время руководителями крупных горнодобывающих предприятий угольной отрасли промышленности и многими специалистами предлагаются радикальные варианты решения проблем подземной добычи угля - «государство должно разработать программу по стимулированию перехода на открытый способ ведения горных работ, с закрытием угольных шахт с опасным содержанием метана и угольной пыли». Обосновывая свое такое радикальное решение по закрытию угольных шахт, отсутствием реальных предложений (способов и методов), по прогнозированию и превенции геомеханических катастроф в угольных шахтах связанной с внезапными выбросами угля и газов.
Использование разработанных: геодинамического районирования, системы аэрогазового контороля (разработанных еще в 1980-ых годах) и прочее, а также всевозможных инструкций, в области обеспечения безопасной отработки угольных шахт в виду их провальных последствий, привело к закрытию 162 угольных шахт, от имевших место в 1993 году -232 угольных шахт. По другим источникам, с учетом открывавшихся угольных шахт в период реструктуризации и оставшихся действующих угольных шахт на момент 17 марта 2016года, было закрыто - 180 шахт. Из оставшихся угольных шахт, в количестве 70 на момент 17 марта 2016год, в настоящее время 12 угольных шахт находятся в процессе их реструктуризации или, проще говоря, в процессе закрытия.
При этом Государство закрывает угольные предприятия за бюджетные деньги, только если ему принадлежит пакет акций в шахтах. Из 34,11 млрд руб. государству придется потратить лишь 1,35 млрд руб., так как ему принадлежат шахта «Баренцбург» на острове Шпицберген, а также «Красногорская» в Прокопьевске. Evraz в случае закрытия должен будет, по подсчетам Минэнерго, потратить 5,34 млрд руб., «Северсталь» - 17,43 млрд руб., «Мечел» - 2,99 млрд руб. Средства тратятся огромные!
Такое массовое закрытие угольных шахт и сокращение добычи коксующегося угля в ближайшее время может создать проблемы в работе металлургических комбинатов, поскольку производственные процессы этих металлургических комбинатов напрямую зависят от марок угля конкретного месторождения. Кроме того, снижение объемов добычи коксующегося угля может создать рост цен и его дефицит на внутреннем рынке и вызовет повышение цен продукции выпускаемых металлургическими комбинатами. Со временем дефицит коксующегося угля на внутреннем рынке может угрожать энергетической безопасности страны.
Выводы.
1. Единственно возможным решением для прекращения гетерогенных геомеханических катастроф в угольных шахтах РФ, является применение предлагаемой авторами технологии, которая в настоящее время
безальтернативна и представляет научно-технический прогресс (НТП), не имеющий мирового аналога.
2. Царицей доказательств любых утверждений лежащих в основе предлагаемых способов служит экспериментальное подтверждение выполненных прогнозов. Представленных материалов о результатах положительных промышленных апробаций предлагаемых способов, а также высоких отзывов, заключений крупных научных организаций бывшего СССР и горнодобывающих предприятий, вполне достаточны для предоставления авторам возможности выполнения на контрактной основе экспресс-апробации и внедрения в производство новой нетрадиционной технологии добычи угляалгоритмы реализации, которой изложены выше.
3. Экспресс-апробация предлагаемой технологии, и ее внедрение в производство в соответствии с перечисленными выше алгоритмами ее реализации, позволят:
- предотвратить происходящие гетерогенные геомеханические катастрофы в очистных пространствах угольных шахт;
- обеспечить повышение безопасности и достижение рентабельности деятельности угольных шахт;
- и в результате нет необходимости в закрытии угольных шахт.
Предлагаемый способ прогнозирования и превенции геомеханических
катастроф в очистных пространствах шахт представляет актуальность для горнодобывающих предприятий разрабатывающих и не угольные месторождения.
Авторы предлагают всем заинтересованным горнодобывающим предприятиям, как угольным, так и не угольным, испытывающих проблемы с геомеханическими катастрофами, свои услуги по решению проблем прогнозирования и превенции геомеханических катастроф в шахтах на контрактной основе.
Рисунок 1 - План горных работ поля шахты №45 Жезказганского рудоуправления, совмещенный с контурами первого рода опасных очагов I и II. На контуре опасных очагов I и II показаны одно из семейств линий скольжений.
1 Каменка и Л-
а) 1 К'ЛНК
1 »
Кичкам ♦ л 1 /г* Л Л-л V у- ¿ХГ-1 ■ Г 1 • . \ УШ-ге.; ?
Целик
III А ■ г Л \ пш
Целик
1 области разрушения целиков и кровли камер
1и II геолого-структурные блоки
области разрушения целиков и кровли камер
Рисунок 2 - Последовательность расчленения блока abcd на более мелкие фрагменты при попытке ведения очистной выемки запасов структурного блока I. Примечание. Масштабы рисунка 1 и рисунка 2 разные. Разрез показанный на рисунке 2 является спрямленным. Он дан по ломанной линии взятой из плана горных работ показанного на рисунке 1. Сама ломанная линия на плане не показана (ноу-хау).
Использованные источники:
1.Игизбаев. К.Б. Игизбаев. Р.К. Игизбаев. М.К. Способ подземной разработки месторождений, предотвращающий геомеханические катастрофы.//Сборник материалов и докладов Международного экологического форума «Балхаш 2000» (выпуск 2). Алматы. 2003. С. 472 -476.
2.Игизбаев Р.К., Игизбаев М.К., Игизбаев К.Б. Разработка превентивных мер по предупреждению геомеханических катастроф в открытых выработанных пространствах шахт//Комплексное использование минерального сырья. Алматы. 2008. №2. С. 3-13.
3.Игизбаев Р.К., Игизбаев М.К., Игизбаев К.Б. Инновационный способ предотвращения геомеханических катастроф в шахтах и прорывов их на дневную поверхность// Горнопромышленные ведомости. Еженедельный бюллетень. Россия. 2012. Январь №2 (52)19.01.2012-25.01.2012. С. 47-51.
4.Инновационный патент: Способ подземной разработки месторождений полезных ископаемых предотвращающий геомеханические катастрофы. пат. №25481 Республика Казахстан/Игизбаев К.Б.; заявка №2010/1703.1; опубл. 15.02.2012, Бюл. №2. 2012.
4. и др.
