Изучение проявлений горного давления геофизическими методами

19.05.2018
Геофизические методы применяются для решения таких задач, как раскрытие природы и механизма горных ударов, изучение их энергетических особенностей, разработка способа прогноза ударов, оценка эффективности применяемых мер борьбы с горными ударами.

Применение сейсмического метода для изучения проявления горного давления и, в частности, горных ударов в шахтах и рудниках известно уже давно. Так, например, сейсмические исследования применительно к регистрации горных ударов начаты в начале текущего столетия на рудниках Пршибрама. С 1929 г. по настоящее время они проводятся на шахтах Верхней Силезии. Сейсмические наблюдения за ударами велись в Канаде, в ЮАР на рудниках Витвотерсранда и, наконец, начиная с 1960 года, — на шахтах и рудниках Чехии.

В России систематические микросейсмические исследования горных ударов начаты в 1957 г. на шахтах Кизеловского бассейна.

Метод основан на регистрации сейсмических волн, возникающих при горных ударах, в диапазоне частот 1—20 гц. Используется аппаратура типа СЗЗ, разработанная ИФЗ АН России, в сочетании с сейсмографами типа ВЭГИК, изготовленными опытноэкспериментальным заводом ВНИМИ. Усиление, которое применяется при регистрации горных ударов, порядка (5—7)*10в3 раз, скорость развертки записи — от 10 до 100 мм/сек.

Эти исследования ведутся на специально построенных сейсмических станциях на полях шахт им. Урицкого и им. Ленина. Каждая станция состоит из трех подвалов, в которых установлено по три сейсмографа, регистрирующих волны в трех взаимно перпендикулярных направлениях.

Метод дает возможность определить координаты очага, гипоцентральное расстояние до очага и глубину его расположения, величину выделившейся сейсмической энергии, время в очаге, а также кинематические и динамические параметры сейсмических волн, возникающих при горных ударах (частоту, длительность, амплитуду и др.). Он применим для оценки степени удароопасности отдельных участков шахтного поля на основе микросейсморайонирования, т. е. прогноза ударов по месту, а также для оценки эффективности региональных мероприятий по борьбе с горными ударами (массовые камуфлетные взрывы, отработка защитных пластов) и для исследования баланса энергии горных ударов. Метод позволяет следить за характером изменения напряженного состояния горного массива в пределах шахтного поля и месторождения в целом. Такого же рода задачи в последние годы ставятся перед микросейсмическимн исследованиями горных ударов в Чехии и ПНР.

Сравнительно давно применяются и сейсмоакустические исследования как основа для изыскания методов прогноза горных ударов, разрушения целиков, обрушения кровли. Известны работы 1938—1945 гг. на медных рудниках Канады (Е. Ходжсон). Проводились наблюдения на шахтах США (Л. Оберт, В. Дюваль), Франции (А. Ренар), Чехии (И. Бубен, И. Шимоне). В России первые опубликованные работы по акустическим наблюдениям относятся к 1951 г. (С.В. Ветров, И.Д. Ривкин, В.П. Запольский), Важные исследования применительно к разработке методов прогноза внезапных выбросов угля и газа выполнены в Донбассе (М.С. Анциферов и др.).

В ходе исследований горных ударов в Кизеловском бассейне сейсмоакустические наблюдения начаты ВНИМИ с 1951 г. В 1953—1954 гг. существенные работы выполнены ИФЗ АН России при участии ВПИМИ. Начиная же с 1958—1959 гг. сейсмоакустические исследования стали проводиться систематически по широкой программе. В отличие от предыдущих исследований основное внимание было уделено не разработке метода прогноза ударов по времени, а изучению природы и механизма хрупкого разрушения угля в очаге горного удара и прогнозу степени удароопасности отдельных участков угольных пластов. Существенным отличием при этом является то, что регистрируются не просто случайные импульсы, а импульсы, вызываемые в процессе бурения шпуров, работы врубовой машины и пр., т. е. импульсы, координаты очагов которых точно известны.

Большое значение придается развитию электрометрического метода, предложенного нами для исследований напряженного состояния пород. Впоследствии в литературе появилось сообщение о применении электрометрического метода на плотных породах, где речь идет главным образом об электронной проводимости. Следует заметить, что чувствительность этого метода на данных породах очень невысока. Нами этот метод используется на пористых породах (песчаники, сланцы, уголь), имеющих ионную проводимость. При 100% насыщения породы водой возрастание нагрузок на нее сопровождается снижением проводимости. В этом случае электрометрический метод имеет хорошую чувствительность.

В шахтных условиях используется аппаратура типа АНЧ-1 и ИКС-1, позволяющая производить измерения на переменном токе частотой 20 гц. Чувствительность аппаратуры ИКС-1, нашедшей наибольшее применение ввиду ее портативности и стабильности в работе, составляет 5 мкв на одно деление шкалы.

Успешно опробованы две схемы наблюдения: станционарные наблюдения с закладкой электродов в скважинах и электрическое зондирование по стенкам выработки с четырехэлектродной симметрической установкой.

Метод позволяет оценивать характер изменения нагрузок в зонах опорного давления, устанавливать пределы и характер влияния производственных процессов, определять размеры и местоположение зон. разрушения пород и угля вокруг выработок.

Для оценки степени влияния производственных процессов на условия формирования горных ударов в очистном забое, а также для изучения возможных изменений в характере деформирования пород перед горными ударами ВНИМИ применен наклономерный метод исследования. На клономериый метод применяется в двух вариантах.

В первом варианте используется шахтная магнетронная установка (ШНУ-2), разработанная ВНИМИ совместно с ЛГУ. Она имеет чувствительность к наклонам по току 1 сек.дуги/мка и позволяет одновременно вести регистрацию по 14 каналам со скоростью развертки записи 0,1 мм/сек. Этот вариант может применяться для исследования деформаций горных пород непосредственно в очистном забое. Аналогичные работы в зарубежной литературе не описаны.

Второй вариант метода предусматривает использование фотоэлектрических наклономеров, разработанных в ИФЗ АН России Л.Е. Островским и изготовленных опытно-экспериментальным заводом ВНИМИ. Аппаратура этого типа имеет чувствительность к наклонам порядка 0,001 сек.дуги/мм и позволяет вести регистрацию с увеличением в 1*10в6 раз. На базе фотоэлектрических наклономеров предполагается выяснить возможность прогноза крупных горных ударов по времени.

Высокочувствительные наклономеры для выявления возможности прогноза горных ударов по времени применяются в Чехии (Пиха, Скальский).

Таким образом, начиная с 1957 г. на шахтах Кизеловского бассейна систематически проводятся геофизические исследования с привлечением микросейсмического, сейсмоакустического, наклономерного и элоктрометрического методов.

Одновременное применение такого широкого комплекса геофизических методов для всестороннего изучения горных ударов в мировой практике осуществлено впервые. Это позволяет вести исследования волн, возникающих при горных работах с периодами от долей микросекунд до 20 сек и более.