Общие сведения о комплексных исследования горных ударов

19.05.2018
Проходка горных выработок и, особенно, ведение очистных работ по одному или группе угольных пластов приводит к нарушению ранее существовавшего равновесия в напряженном состоянии массива горных пород.

Потенциальная энергия упругого сжатия, накопленная массивом под действием гравитационных сил, получает возможность частично реализоваться, совершая работу по возвращению отдельных участков массива в первоначальное состояние, по разрушению и сдвижению горных пород, или может перейти в другие виды энергии. Наряду с этим происходит перераспределение потенциальной энергии в массиве. Оно приводит к созданию значительных перепадов ее как вблизи отдельных горных выработок, так и в целом по шахтному полю или даже группе шахтных полей в пределах месторождения.

Это перераспределение потенциальной энергии в зависимости от ее количества, свойств горных пород (угля), скорости и способов проведения горных выработок может происходить с различными интенсивностью и последствиями.

Так, на небольших глубинах и при прочных породах, когда для их разрушения напряжения недостаточны, перераспределение энергии идет без заметных изменений в состоянии горных выработок. Наоборот, при наличии в массиве напряжений, достаточных для разрушения пород (угля), перераспределение энергии приведет к заметным последствиям. При этом в одних случаях перераспределение и высвобождение энергии носит плавный характер и происходит медленно. В других случаях, например, при наличии хрупких пород и угля, при ведении взрывных работ, образование перепадов в запасах потенциальной энергии происходит мгновенно, вызывая иногда катастрофические последствия для горных выработок, целиков или краевых частей массива угля.

При отработке угольного пласта с целиками угля, оставленными, например, между этажами, большая часть массива горных пород зависает на целиках. Следовательно, громадные запасы потенциальной энергии, сосредоточенные в районе оставленных целиков и краевых частей массива угля, являются как бы «подвешенными». Потеря несущей способности одного или группы целиков угля может привести в данном случае к перемещению запасов энергии на больших участках шахтного поля, что в свою очередь вызывает образование новых очагов ее концентрации.

Особенно это опасно для пластов, подверженных горным ударам, так как такой процесс перераспределения энергии может привести к катастрофическим последствиям.

При крупных горных ударах перемещение запасов потенциальной энергии происходит на больших участках шахтного поля. В Кизеловском бассейне известны случаи, когда действие горного удара сказывалось на повышении горного давления в окружающем районе на расстоянии до 300—400 м. В зарубежной практике известны случаи горных ударов, при которых разрушения в шахте захватывали площадь до 600 тыс. м2. Таков, например. горный удар, потрясший 24 мая 1940 г. шахту Крюгерсхаль. В 1958 г. на калийной шахте им. Тельмана в ГДР горный удар разрушил подземные выработки на площади свыше 1 млн. м2 и был зарегистрирован сейсмическими станциями в Москве, Турции и Испании.

Отработка угольного пласта без целиков угля, наоборот, приведет к тому, что массив горных пород получит опору на почву отрабатываемого пласта и его влияние на дальнейшую отработку пласта будет практически исключено. Таким образом, запасы потенциальной энергии, образованной весом пород, получивших опору на почву отработанного пласта, переводятся из активных в пассивные, не способные проявиться при дальнейшем ведении горных работ по этому пласту угля. Более того, ведение горных работ на соседних пластах также будет иметь меньше осложнений с точки зрения проявления горного давления.

Таким образом, общий принцип ведения горных работ должен сводиться к достижению минимально возможных активных запасов потенциальной энергии.

Как известно, горные удары происходят в результате хрупкого разрушения целика, краевой части пласта угля или прилегающих к выработке пород. Горный удар вызывают, с одной стороны, определенные природные факторы — упругость, прочность и строение угольного пласта, глубина его залегания, прочность и строение боковых пород и, с другой стороны, деятельность человека, создающая возможные очаги горных ударов и инициирующая их проявление. Следует отметить и то, что при горных ударах, вследствие быстрой передачи больших нагрузок на соседние участки пласта, возникают условия для развития процесса разрушения, который можно уподобить цепной реакции.

Из сказанного видно, что создание безопасных условий разработки пластов угля, подверженных горным ударам, возможно только при комплексном рассмотрении всех вопросов, начиная от разведки, вскрытия, схем подготовки, систем разработки, способов выемки угля, его транспорта и кончая организацией труда на угольном предприятии.

Естественно, что такой широкий круг вопросов требует особого подхода к постановке исследований. Необходимо, чтобы они дали возможность изучить проявления горного давления и сдвижения пород в пределах шахтного поля в целом и в отдельных его частях; получить представление о размерах и границах зон опорного давления и разгрузки, о местах особой концентрации нагрузок, о влиянии производственных процессов и механизации выемки угля на формирование очагов ударов и их проявление; дать представление о причинах, природе и механизме горного удара; разработать способы прогнозирования удароопасности пластов, а также места и времени проявления ударов.

Успешное решение этой сложной проблемы возможно лишь при правильном сочетании научных исследований, проводимых в шахтных, лабораторных и камеральных условиях, с широким экспериментированием в шахтных условиях, предусматривающим опробование и внедрение выводов и рекомендаций, полученных при научных исследованиях. Горные эксперименты должны сопровождаться при этом научными исследованиями, призванными оценить эффективность внедряемых мероприятий, и определить пути их дальнейшего совершенствования.

На этих принципиальных основах в 1951 г. ВНИМИ были начаты исследования горных ударов на шахтах Кизеловского бассейна.

Применительно к условиям Кизеловского бассейна в те же годы (1951—1952) оформились основные черты комплексного метода исследования горных ударов. В последующем они получили дальнейшее развитие.

С 1956 г., продолжая работы в Кизсловском бассейне, ВНИМИ начал исследования на шахтах Шурабского и Сулюктинского месторождений, с 1958 г. — на шахтах Кузбасса, с 1961 г. на шахтах Сучана, с 1963 г. — на шахтах Донбасса и Воркуты. В работах ВНИМИ принимают участие соответствующие шахты, тресты и комбинаты.

В решении отдельных вопросов участвуют: Пермский научно-исследовательский угольный институт (ПермНИУИ), Пермский государственный проектно-конструкторский и экспериментальный институт (Пермгипрогормаш), Ленинградский государственный университет (ЛГУ), Научно-исследовательский институт геологии Арктики (НИИГА), Восточный научно-исследовательский институт по безопасности работ в горнодобывающей промышленности (ВостНИИ), Институт физики Земли AH CCCP (ИФЗ АН СССР), Институт горного дела Кольского филиала АН СССР. Общая координация работ осуществляется BHИМИ.

Научные исследования горных ударов проводятся комплексно с помощью многообразных методов и приборов. Значительная часть их создана вновь или переработана с учетом специфики исследований.