8. Оценка и прогнозирование устойчивости кровли подземных выработок

     50% травматизма шахтеров всего Мира происходит из-за внезапного обрушения пород кровли¹⁷. Это настоящий бич подземного производства, и нет на Земле ни одной научно-исследовательской организации горняцкого профиля, где бы не делали попыток найти способ прогнозирования этого грозного явления.
     Обрушение пород кровли может идти в виде отдельных вывалов, послойного обрушения, беспорядочного высыпания и т.д. При этом, как оказалось, действительно внезапное, неожиданное обрушение пород кровли с тяжелыми последствиями, как правило, происходит там, где породы наиболее прочны. Это обусловлено экономическими факторами. Дело в том, что одинаково плотно и надежно крепить всю кровлю в шахте экономически немыслимо. Поэтому в ряде случаев, когда в кровле залегают наиболее прочные породы, выработки крепят менее тщательно, чем там, где кровля представлена менее прочными породами. И вот там-то, где, казалось бы, ничего не предвещает беды, внезапному большому вывалу ничего не противостоит.
     Именно так несколько лет назад, на одной из шахт в Подмосковном угольном бассейне в результате вывала в штреке погибла целая бригада - 20 человек.

---

¹⁷ Для России этот процент существенно ниже, так как у нас, к сожалению, основное количество несчастных случаев в шахтах происходит из-за нарушения правил техники безопасности.

8.1. О прогнозировании как таковом

     Прогнозирование - это исследование, которое заключается в наблюдении процесса, который завершается прогнозируемым явлением. Если процессы, развитие которых завершается прогнозируемым явлением, неизвестны, то прогнозирование невозможно. Признаком непрогнозируемости является наличие определения события как внезапного. И то, что обрушение пород кровли называется внезапным - говорит само за себя.
     В качестве хрестоматийного примера прогнозирования можно рассмотреть прогноз взрыва котла высокого давления. Отсутствие в котле датчика давления (манометра) делает невозможным наблюдение за развитием предвзрывной ситуации, а следовательно, осуществление прогнозирования его взрыва. Однако наличие такого датчика резко изменяет ситуацию. Зная толщину стенок котла и, стало быть, предельное для него давление, мы, по характеру изменения давления можем предположить, что если давление и в дальнейшем будет изменяться так же, как и до сих пор, то спустя некоторое, достаточно определенное время вероятность взрыва будет достаточно высока.
     Результат прогнозирования всегда носит вероятностный характер. Возникновение прогнозируемого события обычно обусловлено множеством факторов, и далеко не все из них возможно учесть. Осуществляя прогнозирование события, мы иногда имеем возможность изучать только один фактор, и эффективность прогноза зависит от того, насколько этот фактор является решающим.
     Однако есть и другие подходы к прогнозированию.
     При полном отсутствии информации о процессах, предшествующих и подготавливающих прогнозируемое явление, ищут, как правило, его признаки. По своей физике, признаки могут очень далеко отстоять от интересующего нас явления. Например, о приближении землетрясения пытаются судить по поведению животных на суше и рыбок в аквариумах. Да, действительно, поведение их перед землетрясением весьма своеобразно. Но только ли перед землетрясением они так ведут себя? Использование признаков без понимания физики этих признаков может обеспечить нас только ретроспективным прогнозом. То есть, после происшествия обычно говорят, что если бы своевременно учли признаки, то событие было бы спрогнозировано вовремя.
     Обрушение пород кровли пытаются прогнозировать по некоторым параметрам и, в частности, по скорости опускания кровли в выработках. Однако, как стало ясно на сегодняшний день, это направление совершенно неперспективно.

8.2. О существующих подходах к прогнозированию обрушения пород кровли

     При разработке подходов к прогнозированию обрушения пород кровли исходят из следующих моментов:

1. Обрушение пород кровли происходит с большим выделением энергии, и следовательно, осуществлять прогноз этого явления следует путем регистрации количества энергии, запасенной в породном массиве;
2. Накоплению энергии в породном массиве соответствует увеличение его напряженного состояния. И следовательно, осуществлять прогноз обрушения пород кровли следует с помощью измерений напряженного состояния пород кровли;
3. Одним из факторов устойчивости кровли является величина мощности (толщины) непосредственной кровли. Чем меньше мощность непосредственной кровли, тем менее устойчива кровля.

     Эти три пункта являются непременным и основополагающим атрибутом всех научных и диссертационных работ по данной тематике за последние лет 50. Но к сожалению, ни один из них не имеет никакого физического смысла, поскольку не подлежит экспериментальному определению (измерению) и изучению.
     Энергия - вполне конкретная физическая субстанция, и ее определение базируется на глубоко разработанных метрологических принципах. Будь то механическая энергия, измеряемая в Джоулях, или энергия элементарных частиц, измеряемая в электронвольтах. Однако применить эти понятия ни к какой-либо среде вообще, ни к горным породам в частности, невозможно. Ведь как известно, измерить энергию нельзя: ее можно только вычислить на основе ряда измерений. Так, электрическую энергию вычисляют путем перемножения электрической мощности на время ее выделения (или потребления), а электрическую мощность, в свою очередь - перемножением тока на напряжение. При определении механической энергии (работы) перемножают прикладываемую силу на тот путь, который проделывает объект в результате приложения этой силы. Может быть, мне кто-нибудь объяснит, что представляет собой эта пресловутая энергия, запасенная в толще горных пород?... Эта энергия сродни энергетическим рассуждениям экстрасенсов. То есть понятие, заменяющее сущность.
     Напряженное состояние или, иначе, механическое напряжение есть, по сути, давление в векторном виде. Эта субстанция не измеряется непосредственно, так как не существует соответствующего датчика. Вычисление же механического напряжения возможно только для сред, подчиняющихся закону Гука, и делается это путем пересчета величины смещения.
     Здесь логика налицо: чем больше напряжение, тем больше должно быть сжатие. И, стало быть, по увеличению показаний тензодатчиков можно судить об увеличении механического напряжения. Однако если при нагружении объекта изменения его размеров происходят за счет трещинообразования, то та же зависимость приобретает обратный характер. В самом деле, ведь образование каждой трещины (пусть и микротрещины) приводит к сбросу давления. Таким образом, для сред, в которых под воздействием нагружения развивается нарушенность, пересчет деформаций в механическое напряжение некорректен. Увы, горные породы, в отличие от металлов, как раз и являются средами, которые не подчиняются закону Гука. С увеличением нагружения на образцы горных пород, в них растет не давление, а трещинообразование.
     И, наконец, о непосредственной кровле. По существующим представлениям, непосредственная кровля - это такая породная толща, которая обрушивается в первую очередь. Это нижний, однородный по составу породный слой, который отделяется от вышележащих пород (называемых основной кровлей) некоей поверхностью расслоения. Все это построение от начала и до конца абсолютно умозрительно. Оно не имеет ни малейшего отношения к действительности, и годится разве что для наукообразных трактатов. А главное, что экспериментальному определению мощность непосредственной кровли не подлежит¹⁸.
     Общую картину положения дел с прогнозированием устойчивости кровли довершает подход к самому понятию устойчивости. Согласно общепринятым положениям, разделение кровли по величине ее устойчивости представляет собой три градации: кровля устойчивая, неустойчивая и средней устойчивости. Различаются они по времени, в течение которого может простоять без обрушения обнаженная кровля нормированной площади. Значения временных интервалов варьируются в довольно широких пределах. Скажем, неустойчивая кровля стоит без обрушения меньше 2 часов, средней устойчивости - от 2 до 4 часов, и устойчивая - больше 4 часов. Но здесь неизбежно возникают вопросы - во-первых, даже если допустить, что для какого-то участка кровли мы и определили конкретный временной интервал, то насколько правомерно обобщать это значение на другие участки кровли? То есть, получается, что при таком подходе устойчивость следует воспринимать как констатационный, а не как прогностический параметр.
     И во-вторых, как реально осуществить выяснение, сколько простоит кровля? Тот, кто имеет представление о подземном производстве, понимает, что оставить без закрепления участок кровли для выяснения ее устойчивости - это абсолютный нонсенс. Любое обрушение пород - это весьма дорогостоящее происшествие, и специально его никто не допустит.

---

¹⁸ Существуют утверждения, что для каждого региона существует свое значение мощности непосредственной кровли, и даже называются цифры. Например, для Караганды - 3,5м, для Кузбасса - 2м и т.п.

8.3. Как была решена проблема прогнозирования устойчивости кровли

     Реализованная нами идея прогнозирования устойчивости кровли возникла следующим образом.
     В 1977 году начал формироваться подход, позволяющий определять поверхности ослабленного механического контакта (ОМК) с помощью спектрально-акустических измерений непосредственно из подземной выработки. Если быть точным, то мы тогда еще не понимали свойств выявляемых границ в породах кровли, и считали, что они соответствуют границам между различными литотипами. И действительно, первые несколько измерений, сделанные в различных геологических условиях, показали хорошую сходимость именно с геологической информацией.
     Поиски различных геологических условий привели нас в один из очистных забоев шахты "3-бис" объединения "Торезантрацит" (Донбасс). Так сложилось, что однажды мы проводили измерения в новом забое, где еще не произошло первичное обрушение пород кровли. В кровле залегал весьма прочный песчаник, мощность которого, по данным разведочных скважин, достигала 30м. Это очень тяжелые условия работы, так как песчаник такой мощности обрушается большими площадями, и весьма бурно. В условиях индивидуальной крепи, которая тогда применялась в этом забое, первичное обрушение подобных пород может сопровождаться опрокидыванием крепи и даже гибелью работающих там шахтеров.
     Мне очень повезло, что это обрушение, которого ждали уже несколько недель, произошло в тот момент, когда мы проводили там свои измерения. При этом обрушилась только часть кровли забоя. Анализ результатов наших измерений показал, что обрушение произошло там, где более четкими были поверхности ОМК. Дальнейшее наблюдение за этим забоем в течение еще двух недель показало, что процесс обрушения связан с изменением (увеличением) четкости выявляемых нами поверхностей ОМК. Напомню, что изменение четкости поверхностей ОМК воспринимается как величина, пропорциональная добротности соответствующих гармонических составляющих.
     Дальнейшее логическое построение было элементарным.
     Извлекая при добычных или проходческих работах угольный пласт, мы тем самым оставляем кровлю без опоры, вследствие чего слоистые породы кровли начинают провисать под собственным весом. Провисание пород определяется их слоистостью, и обуславливается процессом расслоения. В силу отсутствия упругих свойств у горных пород, никакого упругого прогиба слоев при этом не происходит, а провисание их определяется накоплением микронарушенности. Скорость этого процесса, завершающегося обрушением пород кровли, при прочих равных условиях определяется толщинами (мощностями) отдельных слоев, а также величиной пролета образовавшегося породного моста.
     То есть, прежде чем обрушиться, породы кровли должны расслоиться. Расслоение идет не где угодно, а лишь по поверхностям ослабленного механического контакта (ОМК). Поверхности же ОМК, как уже было показано, сформированы залегающими в породах кровли углистыми, мергелистыми, слюдяными прослоями, а также поверхностями скольжения.
     Как оказалось, прочностные характеристики пород здесь играют далеко не самую важную роль. Так, породы кровли, представленные прочными песчаниками, мелко переслоенными сверхтонкими углистыми прослоями, будут более склонны к обрушению, чем однородный монолитный аргиллит малой прочности, но достаточной мощности. Таким образом, оценить устойчивость кровли было бы вполне реально, если иметь возможность определять местонахождение залегающих в кровле поверхностей ОМК.
     В самом деле, прежде чем обрушиться, породы кровли должны сначала отслоиться от вышележащих пород. Следовательно, имея возможность наблюдать процесс отслоения нижнего породного слоя, можно делать предположение о вероятности обрушения пород кровли. Кроме того, зная глубину залегания основных поверхностей ОМК, можно заранее ожидать, какая мощность породного слоя готова к обрушению, а это очень важная технологическая информация, так как позволяет выбирать метод поддержания выработки.
     Дальнейшие, уже достаточно массовые исследования в этом направлении показали, что поверхности ОМК чаще всего формируются углистыми прослоями, и именно они определяют устойчивость кровли.
     Поворотным моментом в судьбе методики "Резонанс" (так называлась аппаратура и методика определения устойчивости кровли с помощью спектрально-акустических измерений) стало подтверждение прогноза обрушение пород кровли в штреке 5а-6-8 шахты "Распадская". Суть его в следующем.
     Проведение профилирования по одному из штреков шахты показало наличие на протяжении целого километра поверхности ОМК на высоте 2÷3м там, где по данным геологов, смены состава пород нет. У геологов возникло предположение, что аппаратура "Резонанс" дает фиктивные, не существующие поверхности.
     И тогда нам было предложено для проверки нашей аппаратуры осуществить профилирование вдоль штрека 5а-6-8. Дело в том, что, по результатам бурения считалось, что в этом штреке породы кровля были представлены прочным однородным мелкозернистым песчаником мощностью 10м. Как показало то же бурение, выше песчаника залегает песчанистый сланец. На основании этого кровля на протяжении всего штрека была признана весьма устойчивой. А следовательно, практически не требующей крепления. Крепь, конечно, стояла, но, что называется, для проформы.
     Это предложение для нас было весьма заманчивым, так как разведочная скважина, по анализу которой был сделан вывод о строении кровли, выходила непосредственно в штрек вблизи точки начала нашего профиля.
     Схема эксперимента и ССП-разрез пород кровли по штреку 5а-6-8 приведены на рис.8-1.
     Как видно из рис.8-1, действительно, вблизи начала профиля, вблизи разведочной скважины присутствует четкая граница на глубине 10 м.

Рис. 8-1

     Однако гораздо более четко на ССП-разрезе проявляются поверхности ОМК, находящиеся на меньших глубинах. Совершенно очевидно, что устойчивость кровли будет определяться не песчаником 10-метровой толщины, а именно этими, неглубоко находящимися границами. При бурении эти границы выявлены не были и, как потом и оказалось, обусловлены они были сверхтонкими углистыми прослоями. В результате, получается, что породы кровли представлены не прочным песчаником, а мелкослоистой структурой, и при малейших сотрясениях или подвижках произойдет обрушение этого хрупкого слоеного пирога 5-метровой и более толщины. Понятно, что нижние 0.5м прочного песчаника эту 5-метровую толщу не удержат.
     Естественно, что кровлю штрека 5а-6-8 там, где она была пронизана поверхностями ОМК, необходимо было закрепить. Что и было сделано в результате нашего сообщения.
     Буквально через месяц после нашего прогноза, при приближении к этому штреку фронта очистных работ на участке, где песчаник был пронизан углистыми прослоями, кровля обрушилась, и избежать травматизма удалось исключительно благодаря вовремя возведенной крепи. Руководство шахты доложило об этом в Минуглепроме, и можно считать, что именно с этого времени (это был 1982 год) началось практически всесоюзное внедрение методики "Резонанс".
     Массовые измерения с помощью метода ССП в различных угольных бассейнах позволили выстроить следующую картину, предшествующую обрушение пород кровли.
     Обрушение пород кровли в выработанное пространство - это конечный этап разрушения пород. Разрушение пород кровли начинается с провисания нижнего слоя. В ходе развития процесса подготовки обрушения пород кровли, следом за нижним слоем провисает следующий слой, для которого нижний в результате его провисания перестал быть опорой. Процесс отслоения и провисания идет снизу вверх со скоростью, определяемой толщинами провисающих породных слоев. Однако если провисающие слои ложатся на нижележащие, уже отслоившиеся, то это способствует ускорению разрушения пород кровли в целом. Все эти процессы в отдельности и вместе наблюдались также и в результате длительных измерений в одном и том же месте штрека, от момента его проходки и до погашения.
     Анализ этой работы показал, что объективный и надежный контроль изменения устойчивости кровли может быть осуществлен при условии многократного применения метода ССП в одном и том же месте. Тогда становится возможным наблюдение процесса разрушения пород во времени и экстраполяция этого процесса в перспективу, что, собственно, и является прогнозированием.
     Аппаратура "Резонанс" изготавливалась донецким кооперативом "Искра" в промышленных объемах и эксплуатировалась во всех угольных регионах СССР. Использование этой аппаратуры показало, что обрушение пород кровли перестало быть внезапным. Это была прекрасная проверка предложенной выше идеи прогнозирования устойчивости кровли. Однако в настоящее время, к сожалению, использование этой аппаратуры если и продолжается, то только на одной шахте - "Распадской".
     Уничтожению, по сути, всей разработки способствовало несколько факторов. Во-первых, за эксплуатацию аппаратуры должны отвечать и платить шахты, тогда как за травмированных и погибших шахтеров платит государство. Так что для шахт эксплуатация методики "Резонанс" оказалась экономически невыгодной. А во-вторых, в стране существует множество НИИ горного дела, одна из главных задач для которых - разработка прогнозирования устойчивости кровли. На сегодняшний (май 2006г) день могу сказать с уверенностью, что уровень их остался тот же, что и до начала нашей разработки (см. раздел 8-2). И то, что наша разработка фактически ликвидирована, дает возможность всем этим институтам столь же успешно заниматься этой проблемой неограниченное время.

8.S. Выводы по разделу 8

     Использование спектрально-сейсморазведочных измерений позволило выявить механизм, обеспечивающий протекание ряда геодинамических явлений. В частности, обрушение пород кровли в подземных выработках. Как оказалось, с помощью метода ССП определяется наличие и местонахождение поверхностей, по которым происходит отслоение пород кровли, предшествующее их обрушению. Расслоение пород происходит под собственным весом, но при этом не где угодно, а только по тем поверхностям, которые характеризуются пониженной величиной сцепления соседних породных слоев. Эти поверхности ослабленного механического контакта (ОМК) и явились объектом изучения в соответствии с разработанной методикой оценки и прогнозирования устойчивости пород кровли в угольных шахтах. Главным значением разработанной методики было то, что обрушение пород кровли перестало быть внезапным. Эта методика и аппаратура, реализующая ее (называлась "Резонанс") использовалась в течение 10 лет (до 1993г) на угольных шахтах всех угольных регионов ныне покойного СССР.
     В результате массовых измерений в самых различных горно-геологических условиях, было выявлено одно, довольно редко встречающееся явление. Оно заключалось в том, что породы кровли, представленные прочнейшим однородным песчаником большой мощности, в некоторых местах, по непонятным причинам вдруг начинали высыпаться в виде геометрически правильных плиточек. Природу этого явления мы смогли разгадать уже значительно позже, когда стали исследовать свойства зон тектонических нарушений (см. раздел 11-2).