16.10.2018
Грейфер – специализированное приспособление, основной функцией которого является перемещение и разгрузка (погрузка) различных...


16.10.2018
Проведение геодезических изысканий востребовано и актуально, и применяется для решения задач, связанных с постройкой, ремонтом,...


15.10.2018
В наше время известняковый щебень считается весьма востребованным материалом для выполнения строительных процедур. Его залегание...


15.10.2018
Весьма красочным, необычным и практичным элементом любого интерьера может оказаться коврик компактных размеров, для него можно...


15.10.2018
На сегодняшний день одним из важнейших требований, предъявляемым к материалам для строительства, считается их экологичность....


15.10.2018
Забивные либо же железобетонные сваи отыгрывают важнейшую роль в свайном основании, когда необходимо возвести жилое здание в...


Прогноз горных ударов по месту их проявления

21.05.2018
Анализ горнотехнической обстановки


Прогноз горных ударов по месту возможен прежде всего путем анализа горнотехнической обстановки. Например, в условиях Кизеловского бассейна, начиная с глубины Н0 = 200—250 м, объектами горных ударов могут быть целики, выступающие участки пласта угля, а также участки пласта, расположенные под (над) целиками на соседних пластах. Начиная с глубины 2H0, кроме перечисленных объектов, местами возможного проявления горных ударов являются очистные забои и передовые выработки, пройденные по пласту угля; с глубины 3H0 — уже и выработки, пройденные в массиве угля вдали от опорного давления, вызванного очистными работами; выработки, расположенные на границе с выработанным пространством, и даже породные выработки или выработки, пройденные по пласту угля, имеющему боковые породы, склонные к разрушению горными ударами.

Известно, что при ведении работ без целиков у вентиляционного горизонта наиболее опасной по горным ударам является верхняя часть лавы, а при ведении работ с целиками — средняя часть лавы. Установлено далее, что на всех глубинах наиболее опасными, при прочих равных условиях, являются места вблизи ведения горных работ, т. е. места, где условия нагружения угольного пласта не являются стабильными, а претерпевают изменения во времени.

Таким образом, при ведении горных работ горняки могут в каждом конкретном случае определять наиболее опасные с точки зрения проявления горных ударов места и принимать необходимые меры безопасности. Такой прогноз возможных очагов горных ударов широко применяется в горной практике и в большинстве случаев оправдывает себя. Можно сказать, что именно благодаря его применению стала возможной успешная борьба с горными ударами в Кизеловском бассейне.

Прогноз степени удароопасности отдельных участков пласта с помощью комплексного метода ВНИМИ


Наряду с. выявлением потенциальной удароопасности угольных пластов на шахтах основных бассейнов и месторождений страны, осуществляемым отделом горных ударов ВНИМИ, в последние годы решалась задача по созданию методов оценки степени удароопасности отдельных участков угольных пластов в конкретных горнотехнических условиях. Это диктовалось рядом обстоятельств:

во-первых, необходимо было исключить применение излишних мер и, значит, удешевить выемку угля и проходку выработок. Во-вторых, следовало исключить случаи непринятия противоударных мер из-за отсутствия данных о степени опасности того или иного участка пласта. Более того, надежный контроль за степенью опасности отдельных участков пласта позволил бы обеспечить в ряде случаев безопасное использование энергии горного давления для выемки угля.

Наиболее существенные результаты разработки методов прогноза степени удароопасности участков пласта имеют два направления:

- контроль изменения отдельных параметров и сопутствующих явлений при бурении скважин в угольном пласте (усилие подачи, выход штыба, сейсмоакустическая активность, крупность выбуриваемого штыба);

- контроль изменения усилий вдавливания штампа в стенки или торец скважины (клиповый домкрат, опорная пята, приборы ПСГ, гидравлический штамп).

Пока еще не представляется возможным дать количественные критерии степени удароопасности участков пласта для всех горногеологических условий и по всем перечисленным выше метода контроля. Однако по некоторым методам, применительно к условиям отдельных бассейнов и месторождений, уже получено достаточно данных, чтобы установить такие критерии в первом приближении.

Для условий Кизеловского бассейна разрабатываются методы прогноза степени удароопасности участков пласта прежде всего по первому из перечисленных выше направлений. По изменению интенсивности сейсмоакустической активности, изменению выхода и крупности выбуриваемого штыба получены количественные критерии. По методу оценки, основанному на определении усилий подачи, получены пока только качественные показатели, также в известной мере характеризующие степень удароопасности участка угольного пласта.

Разработка количественных критериев степени удароопасности участков пласта велась поэтапно.

Так, на первом этапе было установлено, что если при бурении контрольной скважины диаметром 42—45 мм на длину 3 m (m — мощность пласта угля) среднее количество импульсов, определяемых на слух, не превышает 3 на 1 пог. м в условиях Кизеловского и Губахинского районов и 2 на 1 пог. м — в условиях Гремячинского месторождения и при этом не наблюдается зажатие, выталкивание или втягивание штанг, то участок пласта может не приводиться в неудароопасное состояние.

В том же случае, когда регистрация импульсов ведется инструментально, они подразделяются на три энергетические группы: слабые, средние и сильные. При использовании сейсмоприемников. СПЭД-56, шахтного усилителя с усилением в 1500—2000 раз в диапазоне частот 50—5000 гц указанное деление произведено по величине амплитуды А, определяемой в условных единицах:

Допустимое среднее количество импульсов на 1 пог. м бурения скважины длиной 3 т, применительно к разным шахтопластам бассейна, приводится в табл. 8.

В случае превышения количества импульсов, указанного в табл. 8, соответствующий участок пласта должен приводиться в неудароопасное состояние.

Впоследствии сейсмоакустические наблюдения проводились в комплексе со сбором штыба при бурении скважин, что позволило оценивать выход штыба и его крупность. Так возникла основа для, создания комплексного метода оценки степени удароопасности участков угольного пласта.

С установлением зависимости сейсмоакустической активности, выхода штыба и его крупности от степени удароопасности участки пласта были разделены на четыре категории: I, II, III, IV. Участки I категории имеют наибольшую степень опасности, участки IV — наименьшую.

Бурение скважин на участках I категории опасности сопровождается повышенным в 5—10 и более раз выходом штыба по сравнению с его выходом в ненапряженных участках (рис. 42), Причем штыб при бурении на удароопасных участках — более крупный. Для скважин диаметром 42—45 мм крупными считаются фракции с размером частиц свыше 3 мм, содержание которых повышается с возрастанием напряженного состояния. Содержание же фракций с размером частиц меньше 3 мм в аналогичных условиях снижается.

Регистрацией усилий подачи при бурении в различных участках пластов были выявлены два качественных показателя (рис. 42), отличающих удароопасные участки пласта от неопасных:

- пониженные значения усилий подачи;

- неравномерность режима бурения, характеризующаяся резкими спадами усилий подачи почти до нулевых значений в моменты проявления толчков с последующим возрастанием усилий; такая картина повторяется с очередным проявлением толчков.

Важной характеристикой удароопасного состояния краевой части пласта является полное время бурения одного метра скважины. Если из полного времени бурения исключить отрезок времени, необходимый на вынос из скважины выбуриваемого штыба, останется лишь «чистое» время, в течение которого требуется приложение усилий подачи в процессе бурения. В условиях повышенной удароопасности полное время бурения возрастает, а «чистое» время — уменьшается (рис. 42, 43). С возрастанием глубины «чистое» время бурения в отдельных случаях снижалось до 2—5 сек и менее на каждый погонный метр подвигания скважины.


В процессе бурения наблюдаются значительные разрушения стенок и забоя скважины. Например, при бурении скважины диаметром 220 мм по пласту № 11 шахты им. Урицкого размер полости в наиболее напряженной части пласта достигал в поперечнике 0,5—0,6 м. Шпуры диаметром 42—45 мм в процессе бурения тоже разрушаются до таких размеров, что в них не удается закрепить герметизатор для последующего нагнетания воды в пласт. Такие примеры имеют место в условиях очистных забоев шахт им. Калинина, им. Крупской, им. Урицкого и других. Так, в лаве № 723 шахты № 2-Капитальная (рис. 43) диаметр шпуров увеличивался вдвое.

Классификация участков по степени удароопасности позволяет дифференцировать меры борьбы с горными ударами, содержащиеся в «Инструкции по горным ударам». На участках I категории опасности необходимо применение всех предусмотренных мер, а на участках II, III и IV категорий опасности число необходимых мер должно соответственно сокращаться.

При классификации участков по степени их удароопасности (табл. 9) принималась во внимание не только интенсивность проявления сейсмоакустической активности в процессе бурения контрольных скважин. Учитывалось и расстояние x1 до максимума опорных нагрузок, выражаемое как величина, кратная мощности пласта m.

На этих же принципах установлены критерии степени удароопасности участков пластов по количеству выхода штыба при бурении контрольных скважин диаметром 42—45 мм (табл. 9). При этом используется величина, полученная от деления максимального фактического выхода штыба Рф с 1 пог. м скважины к выходу штыба, получаемого при бурении скважины в напряженном участке пласта Pн (для условий Кизеловского бассейна Pн — 2 кг).

Оценка по крупности штыба проводится по изменению процентного содержания фракции свыше 3 мм по длине скважины.

За номинальное значение содержания крупной фракции (по) принимается процентное содержание се на первом метре скважины. Значения по всем последующим метрам (n) сравниваются в соответствии с зависимостью, приведенной в табл. 9. Зависимость учитывает показатель измельчения штыба за счет истирания его буровым снарядом, составляющий 2,5% на один метр подвигания забоя скважины.

Перечисленные критерии степени удароопасности определены при выемке угля с шириной захвата до 2 м, а также в ходе приведения горизонтальных и наклонных выработок в неудароопасное состояние. В этих условиях они и должны использоваться.

Степень удароопасности участков пласта первоначально определяется в наиболее нагруженном участке. Например, в верхней части лавы, если на вентиляционном горизонте отсутствуют целики, в средней части лавы, если имеются целики на вентиляционном горизонте. В зависимости от степени удароопасности этих участков решается вопрос о необходимости проведения контроля в соседних участках.

Для оценки степени удароопасности участка пласта в данном месте должно быть пробурено по 1—2 скважины в каждой из представительных пачек пласта. Глубина скважины должна быть не менее 3 т.

Общий подход к определению степени удароопасности участков пластов заключается в следующем.

Показатель степени удароопасности участка пласта может быть установлен из выражения типа:

где om — величина нагрузок в максимуме зоны опорного давления;

o0 — прочность угольного пласта в условиях одноосного сжатия;

m — мощность пласта;

x1 — расстояние до максимума зоны опорного давления.

При использовании различных методов относительной оценки напряженного состояния краевой части пласта в формуле (18) вместо om, а иногда и о0, должны вводиться получаемые относительные показатели с соответствующим поправочным коэффициентом.

В заключение отметим, что основным индикатором для оценки степени удароопасности пласта на отдельных участках, т. е. в конкретных условиях его нагружения, должно быть бурение шпуров и скважин в угольный пласт. Процесс бурения и сопровождающие его явления наиболее отчетливо выявляют состояние угля в массиве пласта. Всестороннее изучение этого процесса в шахтных и лабораторных условиях с выявлением зависимости различных проявлений процесса бурения (сейсмоакустических импульсов, усилий подачи и пр.) от степени напряженности, по-видимому, станет одной из главных задач будущих исследований в области методов прогноза степени удароопасности пласта и его участков в конкретных условиях их нагружения.

Второе направление в развитии методов определения степени удароопасности участков пласта предусматривает оценку конечного результата воздействия бурения скважины на напряженный пласт угля. Для этих целей, как уже говорилось, пригодны приборы и методы, основанные на вдавливании штампа в стенки или торец скважины, а также приборы, позволяющие оценивать изменение добываемости угля и изменение сечения скважины на различном расстоянии от ее устья.

По сопоставлению данных, характеризующих интенсивность проявления признаков степени опасности, расстояние до максимума зоны опорного давления от края пласта, газоносность и прочность угольных пластов, представится возможность прогнозировать не только вероятность проявления, но и типы динамических явлений, которые могут произойти на том или ином участке угольного пласта.

Прогноз крупных региональных ударов по месту с помощью микросейсморайонирования


Региональные горные удары обычно имеют место на тех шахтах, где используются горные выработки большой протяженности, охраняемые целиками угля. Классическим примером является шахта им. Урицкого в Кизеловском бассейне. Для разработки методов прогноза горных ударов по месту их проявления здесь получил широкое применение микросейсмический метод, позволяющий исследовать изменение напряженного состояния горных пород и угля в пределах шахтного поля в целом.

Наблюдения с помощью этого метода проводятся ВНИМИ с 1959 г. на сейсмической станции «Углеуральск», построенной комбинатом Кизелуголь. Станция имеет три пункта наблюдений, расположенных в вершинах треугольника со сторонами порядка 1,5 км. Пункты оборудованы трехкомпонентными установками сейсмографов ВЭГИК и связаны кабелем со зданием станции, где ведется регистрация. Места установки пунктов привязаны к планам горных работ, что позволяет производить увязку сейсмических наблюдений с данными горнотехнических условий на шахте. Микросейсмические наблюдения дают возможность определять координаты очагов горных ударов с точностью ± 100—200 м.

Применение этого метода позволило составить для поля шахты им. Урицкого карту микросейсморайонирования, позволяющую выделить на определенное время сейсмически активные зоны, в которых возможно проявление крупных горных ударов, т. с. осуществлять прогноз горных ударов по месту их проявления.

На рис. 44 приведена выкопировка из этой карты. Мы видим, что, например, перед крупным горным ударом (сейсмическая энергия Е = 10в6 дж), происшедшим 11 сентября 1960 г., имело место много толчков, зарегистрированных сейсмической станцией и располагающихся в пределах зоны, заштрихованной вокруг будущего удара. Ниже показан другой контур, в пределы которого вошли толчки, имевшие место перед крупным горным ударом (Е = 1*10в5 дж), происшедшем 24 мая 1961 г., который последовал через 7,5 нас после массового камуфлетного взрыва, произведенного с целью приведения выработок в неудароопасное состояние.

Микросейсмический метод позволяет оценивать эффективность таких мероприятий, как массовые камуфлетные взрывы, отработка защитных пластов и т. п., проводимых в пределах больших регионов.

Так, например, сравнение временного хода сейсмической активности до и после массового взрыва, указанного выше, показало, что сейсмическая активность в районе северного флангового уклона сразу же после взрыва возросла и сохранилась высокой в период первых 1,5—2 мес., а затем начался ее спад (рис. 45). Сейсмическая активность уменьшилась в 1,5—2 раза по сравнению с активностью до проведения взрыва. Через 10 мес. после взрыва сейсмическая активность достигла уровня, который был характерен к моменту взрыва. Через 1,5 года после взрыва сейсмическая активность в районе северного флангового уклона стала сильно возрастать, что указывало на увеличение опасности возникновения горных ударов в этом районе и послужило основанием для рекомендации повторного проведения массового камуфлетного взрыва. Он был осуществлен 5 июля 1963 года.

Существенным дополнением к описываемому методу прогноза региональных горных ударов по месту может стать применение методов прогноза степени удароопасности участков пластов угля, описанных в предыдущем параграфе. При этом в целиках, охраняющих горные выработки, следует периодически вести наблюдения. Это, в частности, было осуществлено ВНИМИ перед упомянутым повторным проведением массового камуфлетного взрыва. Выявилось возрастание напряженности целиков уклона, что послужило дополнительным подтверждением вывода о необходимости повторного взрыва.