Прогнозирование аварий угольных шахт и многое другое...
О нас Услуги Оборудование Книги по теме Примеры Связь Карта Форум Видео En

Прогнозирование аварий угольных шахт средствами спектральной сейсморазведки

Гликман А.Г.
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
21 апреля 2010, Санкт-Петербург

     Развитие угледобывающей промышленности во всем Мире идет колоссальными темпами. Происходит увеличение скорости проходки и производительности очистных забоев, усиление механизированной крепи и увеличение сечения подготовительных выработок, позволяющее решить проблемы вентиляции... Однако аварии продолжаются, и это, увы не зависит от уровня оснащенности шахт техникой.
     В 2007 году в Новокузнецке произошли аварии (19 марта и 24 мая) на оснащенных самой передовой техникой шахтах Ульяновская и Юбилейная, которые унесли жизнь 150 человек. 6-го апреля 2010 в США, в Западной Виргинии, взрыв на шахте компании Massey Energy унес жизнь 25 человек. Но на самом деле, аварии идут повсеместно и часто, во всех угледобывающих странах, просто не все столь громкие.
     В основном, 2 типа причин повинны в этом - внезапное обрушение пород кровли и взрыв метана. Как оказалось, оба этих типа аварий обусловлены геологическим строением угленосной толщи.
     Что касается обрушения пород кровли, то из общих соображений, всегда считалось, что вероятность этого события связана с таким фактором как мощность непосредственной кровли hнк. Однако определение этого параметра было всегда не вполне определенным. Согласно существующим представлениям, hнк - это мощность той части пород кровли, которая обрушается в первую очередь.
     Шахтные геологи всегда считали, что величина hнк связана с мощностью первого от угольного пласта породного слоя, представленного одним литотипом. Однако оказалось, что это не совсем так. Да, действительно, обрушению пород предшествует их расслоение. Но расслоение идет не только по поверхностям смены литотипа. Понять эти процессы помогли новые достижения геофизики [1].
     В 1977 году был обнаружен физический эффект, на основании которого оказалось возможно неразрушающим методом определять строение пород кровли. Этот эффект заключается в том, что при ударном воздействии по поверхности породного слоя, возникает сигнал, который представляет собой гармонический затухающий процесс, причем частота его f0 следующим образом связана с мощностью h этого породного слоя:

f0 = k / h, где    (1)

k - эмпирический коэффициент с размерностью скорости, численно равный примерно 2500м/с для всех горных пород.
     При дальнейшем изучении этого эффекта выяснилось, что он имеет место в подавляющем большинстве твердых сред. Это металлы и сплавы, стекло и керамика, горные породы... Однако в некоторых средах этот эффект отсутствует. К ним относятся некоторые виды пластмасс (в частности, оргстекло), многие сорта угля...
     Этот эффект и соотношение (1) легли в основу нового геофизического метода, известного сейчас как спектральная сейсморазведка. Первоначально, первые 16 лет, это новое знание использовалось только для определения строения породной толщи в угольных шахтах. При этом, в полном соответствии с методологией развития научного познания, оказалось, что исследовательский метод, основанный на новом физическом эффекте, является источником принципиально новой информации. Новым при изучении породной толщи кровли подземных выработок оказалось то, что расслоения пород кровли, предшествующие ее обрушению, идут не по поверхностям смены литотипа, а по поверхностям ослабленного механического контакта (ОМК), обусловленным в большинстве случаев наличием в породах кровли тонких и сверхтонких прослоев [2].
     Исследования показали, что в большинстве случаев поверхности ОМК в породах угленосной толщи обусловлены углистыми прослоями. И, по сути, спектрально-сейсморазведочный геофизический метод оказался источником информации о местонахождении в породном массиве поверхностей ОМК независимо от их природы. Дело в том, что тонкие и сверхтонкие прослои не могут быть выявлены никаким другим методом. Ни геофизическим, ни даже бурением. Керн в месте пересечения скважиной этих прослоев неизбежно ломается, материал прослоев вымывается промывочной жидкостью, и наличие их не будет зафиксировано.
     Информация о наличии и местонахождении поверхностей ОМК, по сути, уже сама по себе обладает прогнозными свойствами. Так, например, если по результатам разведочного бурения известно, что в кровле залегает, скажем, весьма прочный однородный песчаник весьма значительной мощности (допустим, 10 и более метров), то такую выработку дополнительно закреплять никто не будет. Устойчивость ее, по причине мощного песчаника, должна быть столь высока, что крепь безусловно представляется излишней. Однако допустим, что на каком-то участке выработки этот песчаник пронизан большим количеством углистых прослоев. Тогда величина hнк на этом участке будет определяться уже не мощностью песчаника, а расстоянием от угольного пласта до ближайшей поверхности ОМК и количеством этих поверхностей. Понятно, что фактическая устойчивость пород кровли на этом участке может оказаться значительно меньше ожидаемой, и вероятность внезапного обрушения пород кровли возрастет.
     Именно такой случай имел место в конце ХХ века на буроугольном подмосковном месторождении, где обрушение незакрепленного штрека привело к гибели более 20 человек.
     Аналогичная ситуация имела место примерно тогда же на шахте Распадская, но там углистые прослои в 10-метровом песчанике кровли были вовремя выявлены спектрально-сейсморазведочными измерениями, и своевременно возведенная крепь предотвратила гибель людей.
     К началу 80-х годов была создана аппаратура «Резонанс», которая успешно использовалась на многих шахтах отрасли. Эта аппаратура представляет собой спектр-анализатор, проградуированный в значениях h в соответствии с выражением (1).
     Использование аппаратуры этого типа позволяет прогнозировать обрушение пород кровли и контролировать соответствие длины анкеров анкерной крепи мощности непосредственной кровли. Надо отметить, что за время эксплуатации аппаратуры «Резонанс» не было ни одного случая ВНЕЗАПНОГО обрушения пород кровли. В настоящее время начинается внедрение этой аппаратуры на современной элементной базе, в цифровом исполнении.
     Однако применение аппаратуры «Резонанс» в ряде случаев не обеспечивает должной безопасности. Это происходит в зонах тектонических нарушений (ЗТН).
     Одним из важнейших факторов, определяющих опасность при ведении подземных работ на сегодняшний день является отсутствие информации о местонахождении зон тектонических нарушений. Эти зоны характеризуются повышенной нарушенностью пород угленосной толщи, следствием чего является повышенное вывалообразование пород кровли, снижение несущей способности почвы, пучение почвы. Разрушение угольного пласта в ЗТН приводит к выходу свободного метана, следствием чего являются его взрывы. Кроме того, ЗТН характеризуются повышенным обводнением.
     При внезапной встрече горной выработки с ЗТН все эти факторы могут возникнуть одновременно, и возникает аварийная ситуация, масштабы которой тем больше, чем больше скорость подвигания забоя (проходческого или добычного). Так, в случае индивидуальной крепи при небольшой мощности угольного пласта вскрытие ЗТН происходило плавно, и аварии, как правило, были небольшими. Использование высокопроизводительных комплексов приводит к резкому, мгновенному выходу огромного количества метана, обрушению значительных площадей кровли и, следовательно, к более масштабным авариям.
     Начиная с 60-х годов ХХ века появляются сообщения о разработках геофизических методов, пригодных для выявления ЗТН впереди забоев. Потребность в этих методах столь высока, что ряд таких разработок принимают к исполнению даже без должной проверки. Так произошло, например, с направлением, получившим название метода каналовых волн.
     Этот метод был предложен в 1961-м году западногерманским геофизиком Креем [3]. По своей наглядности и простоте, метод близок к основной идее сейсморазведки. Заключается он в следующем. Угольный пласт рассматривается как некий волновод, канал, который образуется за счет различия акустических свойств угля и углевмещающих пород. Предполагалось, что при ненарушенном угольном пласте поле упругих колебаний распространяется вдоль этого угольного волновода. То есть, согласно рис.1, где выемочный участок показан в плане. Предполагалось, что если нанести удар из одного штрека, то установив сейсмоприемники в другом штреке, можно убедиться в звукопрозрачности угольного пласта.

Выемочный участок показан в плане
Рис. 1

     При наличии разрывного нарушения в угольном пласте должна возникнуть зона тени, и сейсмоприемники 5-2, 6-2, 7-2 не зарегистрируют прямое прохождение сигнала. А сейсмоприемники 4-1, 5-1 при этом должны зарегистрировать сигнал, отраженный от разрывного нарушения угольного пласта.
     Модель очень наглядная, но, к сожалению, экспериментальные проверки показали ее ошибочность. При проверке оказалось, что с помощью этого метода не удается зарегистрировать не только нарушение в угольном пласте, но даже и наличие штрека, если он оказался между точкой удара и сейсмоприемниками.
     Правда, нулевая эффективность метода каналовых волн не повлияла на его применение, и по сей день функционирует в Кемерово геофизическая группа, применяющая этот метод как пригодный для выявления тектонических нарушений.
     Со временем стало ясно, в чем заключается причина неудачи. Дело в том, что, как показали исследования, одним из следствий физического эффекта, обнаруженного в 1977 году, является то, что земная толща (в том числе, и угленосная толща) представляет собой не совокупность отражающих границ, а совокупность колебательных систем. Роль каждой колебательной системы играет плоско-параллельная геологическая структура, а возникший в каждом породном слое-резонаторе собственный колебательный процесс распространяется вдоль этого слоя, не выходя за его пределы. При этом угольные пласты занимают в формировании этой картине особое место, поскольку в них собственный колебательный процесс не формируется.
     Таким образом, метод каналовых волн в принципе не может дать информацию о наличии разрывных нарушений в угольном пласте, поскольку это противоречит физике формирования поля упругих колебаний в угленосной толще. Другое дело, что этот метод мог бы давать информацию о разрывных нарушениях во вмещающих уголь породах, и мы некоторое время шли по этому пути. Сейчас эта необходимость отпала, поскольку метод спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП) позволяет получать информацию о зонах тектонических нарушений при работе с поверхности. То есть, для получения этой информации теперь не нужно даже спускаться в шахту.
     Признаком того, что профиль пересек ЗТН, является возникающий на ССП-разрезе объект в виде воронки (V-образный) или одной ее составляющей. В качестве примера, на рис.2 приведен ССП-разрез, полученный при профилировании над капитальной выработкой (вент-штрек) 813 шахты Листвяжной (Белово-уголь), летом 2003 года.

ССП-разрез, полученный при профилировании над капитальной выработкой (вент-штрек) 813 шахты Листвяжной (Белово-уголь), летом 2003 года
Рис. 2

     На участке профиля 750-810м видна образующая V-образной структуры на глубинах 120-210м. Она подтверждается подобным объектом на глубинах 30-70м. Прорисовка объектов достаточно рельефная, и это означает, что выявленная зона тектонического нарушения является надежным признаком возможной аварийной ситуации на данном участке.
     Здесь очень важно понимать, что участок профиля 750-810 м является зоной разрушения как самих горных пород, так и любого сооружения, находящегося в этой зоне. И не имеет значения, находится ли это сооружение на поверхности или это горная выработка, находящаяся на ЛЮБОЙ глубине.
     Точно так же не имеет значения, на какой глубине прорисовался V-образный объект. На какой бы глубине он ни прорисовался, для подземной выработки на любой глубине вероятность разрушения будет одинакова.
     Причина такой независимости фактора риска от глубинности прорисовки V-образного объекта заключается в свойствах тектонических нарушений и в физике их формирования. Тектоническое нарушение представляет собой вертикальную структуру, нижняя граница которой находится на колоссальных, на сегодняшний день недоступных глубинах. Механизмом формирования зон тектонических нарушений является явление, называемое планетарной пульсацией.
     Явление планетарной пульсации было открыто немногим более 10 лет назад [4], но сейчас уже можно сказать, что оно является причиной огромного большинства разрушений инженерных сооружений. Планетарная пульсация проявляется на дневной поверхности колебаниями грунта. Частота этих колебаний чрезвычайно низкая исчисляемая миллигерцами. А вот амплитуда может достигать колоссальных значений - порой, до 10см.
     Источник этой пульсации находится где-то в недрах Земли, и под ее воздействием происходит разрушение столба горных пород, и из глубины к поверхности поднимается разрушенное состояние пород в течение, по-видимому, очень длительного времени. В пределах зоны нарушенного состояния пород происходит как бы раскачка и пород, и находящихся там сооружений. Понятно, что если в этой зоне находится сооружение не целиком, а только частично, то оно будет разрушаться.
     Отметим, что в зоне, показанной на рис.2, при приближении к ней очистного забоя действительно возникли весьма тяжелые последствия встречи забоя с ЗТН.
     На основании опыта эксплуатации геофизических методов в условиях угольных месторождений возникает следующая схема использования геофизики. Оптимальное обеспечение безопасности при подземной добыче угля может быть обеспечено сочетанием подземной аппаратуры типа «Резонанс» с наземным комплексом ССП. При этом «Резонанс» дает информацию, необходимую для определения параметров крепления выработок вне ЗТН, а ССП - информацию о местонахождении ЗТН.
     Такой комплексный подход к изучению шахтного пространства позволит в дальнейшем исключить аварии на угольных шахтах, обусловленные природными, геологическими факторами.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Гликман А.Г. "Спектральная сейсморазведка -истоки и следствия".
  2. Андреев В.П., Гликман А.Г. Геоакустический метод выявления поверхностей ослабленного механического контакта //Уголь, 1985, №9, с.52-54
  3. Krey T.C. Channel waves as a tool of applied geophysics in Coal mining. Geophysics, 1963, vol.28, N5.
  4. Sashourin A.D., Panzhin A.A., Kostrukova N.K., Kostrukov O.M. Field investigation of dynamic displacement in zone of tectonic breaking. /Rock mechanics - a challenge for society: Proceedings of the ISRM regional symposium EUROK 2001. Espoo, Finland 3-7 June 2001/ Balkema 2001. p. 157-162.


Обсудить статью 



При использовании материалов сайта ссылка на www.newgeophys.spb.ru обязательна Публикации о нас

Начало | О нас | Услуги | Оборудование | Книга 1 Книга 2 Книга 3 |  Примеры | Связь | Карта сайта | Форум | Ссылки | О проекте | En

Поддержка и продвижение сайта "Геофизпрогноз"


Rambler's Top100 Rambler's Top100

Реклама на сайте: