Предупреждение горных ударов и внезапных выбросов в горнодобывающей промышленности

В.М.Вернигор, к.т.н., ЗАО НИЦ «ТехноПрогресс»
В.Б.Кульчицкий, к.т.н.,
С.В.Кульчицкий, ООО «Печорский научно-технический центр»

Перед российскими горнодобывающими предприятиями стоят общие проблемы безопасности, характерные для всех стран с развитой горной промышленностью. Прежде всего, это связано с увеличением глубины горных работ и, соответственно, повышением горного давления и газоносности горного массива.

Известно, что основной особенностью проявлений горного давления при подземной разработке месторождений полезных ископаемых являются динамические и газодинамические явления в форме горных ударов и внезапных выбросов угля, породы и газа (далее, внезапные выбросы). В горнорудной промышленности - это горно-тектонические удары и собственно горные удары (далее - горные удары), микроудары, толчки, стреляния; внезапные выбросы соли и газа на калийных шахтах. В угольной промышленности - собственно горные удары, горно-тектонические удары, горные удары с разрушением почвы пласта, микроудары, толчки, стреляния; внезапные выбросы (выдавливание) угля и газа или выбросы породы и газа в газоносных угольных пластах и породах.

Опасными по горным ударам являются рудные шахты Северного Урала, Горной Шории, Норильского региона, Кольского полуострова, угольные шахты Кузнецкого и Печорского угольных бассейнов, Ростовской области, острова Шпицберген, а по внезапным выбросам соли и газа - рудные шахты Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей.

Одним из наиболее опасных регионов, по данным ВНИМИ, является Кузбасс, на угольных и рудных шахтах которого в период с 1943 по 2005 гг. зарегистрировано 5470 динамических и газодинамических явления, в том числе: 207 внезапных выбросов, 222 горных и горно-тектонических удара, 42 микроудара, 3599 толчков и более 1400 стреляний.

Из рудных месторождений одними из самых удароопасных в России являются Североуральские бокситовые залежи, при подземной разработке которых в течение последних 5 лет произошло два горных удара и в настоящее время продолжаются микроудары, толчки и стреляния.

Динамические и газодинамические явления приводят к тяжелым последствиям, в результате которых гибнут горняки, снижаются технико-экономические показатели работы угольных и рудных шахт. Так, за последние пять лет (с 2001 по 2005 гг.) на российских горнодобывающих предприятиях произошло (без учета микроударов, толчков и стреляний) 11 динамических и газодинамических явлений, в результате которых пострадали 13 человек (10 из которых погибли).

Благодаря разработке мероприятий по прогнозированию и предупреждению горных ударов и внезапных выбросов в последние годы удалось значительно сократить их количество, однако данная проблема остается не решенной.

Опыт разработки и внедрения новых параметров и методов прогноза, предупреждения динамических и газодинамических явлений показывает, что для этого требуется не менее 5 лет. Поскольку в настоящее время горные работы ведутся на глубоких горизонтах (1000 м и более) в сложных и часто изменяющихся горно-геологических и горнотехнических условиях, необходимо научиться заблаговременно и эффективно управлять состоянием массива для обеспечения безопасного ведения горных работ.

Следует отметить, что несмотря на нерешенность данной проблемы, из-за отсутствия финансирования практически прекращены прикладные научные исследования по отработке надежных методик прогнозирования и предупреждения горных ударов и внезапных выбросов на конкретных месторождениях [1].

Известно, что наиболее эффективными мероприятиями по предупреждению горных ударов и внезапных выбросов являются «классические» региональные меры, такие как защитная надработка или подработка, однако, данные меры не позволяют обеспечить защиту при отработке свит пластов на участках, прилегающих к геологическим нарушениям или в зонах повышенного горного давления. Однако при ведении горных работ на больших глубинах в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях (зоны повышенного горного давления, тектонически-активные зоны и др.) не всегда имеется возможность применить «классические» региональные меры по разгрузке массива.

В этих условиях технологически и экономически более выгодными являются способы разгрузки массива через скважины, пробуренные с поверхности или из горных выработок, поскольку они не связаны непосредственно с технологией ведения горных работ, не требуют непосредственного нахождения людей в опасных зонах, что способствует снижению производственного риска, повышению технико-экономических показателей работы очистных и подготовительных забоев и шахты (рудника).

Как показывают исследования, выполненные ВНИМИ, при ведении горных работ на больших глубинах и в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях в качестве одного из наиболее эффективных мероприятий по предупреждению горных ударов могут применяться технологии, используемые в нефтяной и газовой промышленности, позволяющие воздействовать на массив горных пород на больших площадях [2].

В качестве одного из технических решений, позволяющих управлять напряженно-деформированным состоянием массива горных пород на больших площадях, предлагается апробированная на угольных и нефтегазокон-денсатных месторождениях России волновая акустическая геотехнология интенсификации дебита эксплуатационных скважин (ВАГИДЭС). Технология ВАГИДЭС позволяет управлять состоянием массива как через скважины, пробуренные с поверхности, так и из подземных горных выработок угольных или рудных шахт. Локальным вариантом этой технологии является технология ЛАВОПОР (локальное акустическое возбуждение горных пород).

С помощью волнового акустического воздействия можно добиться изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород, поскольку система «скважина-пласт», «скважина-горная порода» (далее «Система») является резонансной. Возбуждая генератором колебаний в рабочем агенте (вода) скважины гармонические колебания на низкой частоте в пределах 0.5-3.2 Гц, можно ввести последовательно (на нескольких гармониках) выбранную часть литологи-ческого разреза в резонанс, что и обеспечивает динамическое воздействие на выбранную горную породу. Как, правило, вдоль выбранного слоя (волновода или антиволновода) распространяются интерференционные ка-наловые волны, обладающие на низких частотах большой энергией. Концентрация энергии осуществляется за счет интерференции волн вдоль плоского слоя и в силу того, что каналовая волна имеет не сферическое, а цилиндрическое расхождение, она затухает не по экспоненциальному, а по гиперболическому (функции Бесселя) закону. При росте напряжений до величины, превышающей предел прочности горных пород, в горном массиве происходит разрыв его сплошности, а при длительном воздействии изменяются их реологические свойства [3, 4].

Правильная оценка акустического воздействия на «Систему» возможна лишь при учете упругопластических свойств литологического разреза. Из-

вестна корреляционная зависимость [5] предельного напряжения упругости от скорости звука в горной породе:

где: [Gv] - предел упругости горной породы, МПа;

С - скорость звука в горной породе, м/с.

Подставляя в формулу (1) вероятную скорость распространения звука в литологическом разрезе (например, в песчанике) равную 4000 м/с, получим значения предела упругости песчаника [Gv] = 15.6 МПа, превысив которое можно изменить его реологические свойства.

Правильное сочетание статического давления, на которое накладывается динамическое давление в технологии ВАГИДЭС на различных частотах, позволяет управлять «Системой». В результате резонансного возбуждения основной гармоники системы возрастает радиус распространения предельных напряжений в горных породах, что улучшает их фильтрационные характеристики.

Превысив предельное напряжение сжатия (например, Осж= 52.0 МПа для песчаника) можно получить зону искусственной трещиноватости. Как показали расчеты и промышленные испытания, величины амплитуд давления на забое скважины на резонансных частотах на порядок превышают предел прочности пород на сжатие (табл. 1).

В таблице выборочно приведены результаты расчетов распределения амплитуды давления от осж до Ор на удалении r от скважины, при акустическом возбуждении литологического разреза на частоте 2.935 Гц.

Из табл. 1 видно, что на удалении 3400 м от скважины амплитуда давления в волне всё ещё находится около величины Ор.

Таким образом, возбуждая в пласте на заданном удалении от скважины упругие волны напряжений, амплитуда которых превышает предельные напряжения сжатия или предельные напряжения упругости, или, ведя акустическое возбуждение литологического разреза в пределах упругих напряжений, можно получить пространственные зоны различных его состояний, т.е. регулировать механические свойства горной породы по необходимости.

Устойчивость обширных и равномерных зон искусственной трещино-ватости достигается закреплением полученных трещин обломочным материалом, образуемым при истирании стенок трещин друг о друга при их колебательном движении.

Формирование обширных, равномерных и устойчивых зон искусственной трещиноватости способствует снижению концентрации напряжений и ее перераспределению вглубь массива, что приводит к созданию эффекта разгрузки массива на значительных площадях.

Для возбуждения упругих колебаний была разработана конструкция генератора упругих колебаний (ГУК) с заданными параметрами по частоте и глубине настройки, позволяющая достичь полного управления трещиноо-бразованием, вплоть до диспергации горной пароды на заданном расстоянии и заданном направлении.

Выполнение этих условий в сочетании с целенаправленным заложением скважин в поле угольной или рудной шахты позволяет за счёт управляемой интерференции упругих волн изменять механические свойства горных пород и возбуждать в нём направленные потоки газа к местам его инженерного извлечения.

Генератор упругих колебаний в технологии ВАГИДЭС представляет собой переоборудованные нагнетательные агрегаты 4АН-700, 1УН630-700А и др., а в технологии ЛАВОПОР - переоборудованные серийные высоконапорные насосные станции УНГ, УНГЛ, УНВ, АНУ-160 и др. Схемы разгрузки массива горных пород с поверхности по технологии ВАГИДЭС и из подземных горных выработок по технологии ЛАВОПОР приведены на рис. 1 и 2, соответственно.

Идея, физическая сущность и научная новизна технологии ВАГИДЭС и ЛАВОПОР защищены авторскими свидетельствами [6, 7].

Технология ВАГИДЭС апробирована в Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции в конце 1980-х и начале 1990-х гг. с целью создания генератора низкочастотных упругих колебаний на Вуктыльском газоконден-сатном месторождении и на Усинском нефтяном месторождении. В результате этих исследований конструкция такого генератора была создана. По заключению ПО «Севергазпром» акустическое воздействие на скважину осуществлено в течение 8 часов с частотой 0.35-2.97 Гц. После прекращения воздействия достигнуто стабильное пятикратное увеличение приемистости скважины. Гидродинамические испытания скважины после воздействия дают ориентировочный радиус волнового воздействия около 365 м. Повторные гидродинамические исследования скважины, проведенные через месяц после завершения работ, показали, что приемистость пласта сохранилась на достигнутом уровне.

По заключению СП «Нобель Ойл» акустическое воздействие на скважину в течение 19 часов 34 минут обеспечило превышение приемистости скважины, по отношению к первоначальной, в 3 раза с радиусом воздействия, определенного геологическим заданием, в 70 метров.

Технология ЛАВОПОР была испытана в первой половине 1990-х гг. на двух шахтах: «Юр-Шор» и «Воркутин-ская» ПО «Воркутауголь» при отработке свиты угольных пластов в зонах незащищенных первоочередной под -или надработкой защитных пластов. Так, применение технологии ЛАВОПОР на шахте «Юр-Шор» при отработке пласта «Четвертого» в незащищенной зоне (не надработанной пластом «Тройным» в районе линии бифуркации пласта «Мощного»), позволило повысить эффективность дегазации в 1.5 раза и привести отрабатываемый пласт в неудароопасное состояние.

Для управления волновой акустической технологией на конкретной скважине разработана компьютерная программа, позволяющая на основе физико-механических свойств литологиче-ского разреза и технологических параметров применяемого оборудования рассчитать математическую модель для выбора оптимальных параметров воздействия на «Систему» [8, 9].

Технологии ВАГИДЭС и ЛАВОПОР являются уникальными и позволяют заблаговременно провести дегазацию массива или его разгрузку от повышенных напряжений, т.е. привести в безопасное состояние массив горных пород на значительных площадях (S): ~200 тыс. м2 (R~500 м) - через скважины с поверхности; ~30 тыс. м2 (R~200 м) - из подземных горных выработок.

Предварительная разгрузка массива горных пород от повышенных напряжений по технологии ВАГИДЭС или ЛАВОПОР осуществляется путем воздействия на «Систему» по нескольким технологическим схемам:

I    - на литологический разрез:

а)    угольные пласты (рудные тела);

б)    породы кровли (висячий бок для рудных тел);

в)    породы почвы (лежачий бок для рудных тел);

II    - на углепородный массив:

а)    мощностью до 50м (угольные пласты или рудные тела и вмещающие породы);

б)    угольные пласты-спутники и породы почвы;

в)    породы междупластья в свите угольных пластов (рудных тел).

Воздействие непосредственно на угольные пласты или рудные тела по технологии ВАГИДЭС и ЛАВОПОР могут привести к их структурному ослаблению, снижению устойчивости груди забоя, пород непосредственной кровли и снижению технико-экономических показателей работы забоев угольной или рудной шахты.

Поэтому при подземной разработке месторождений целесообразно применение следующих технологических схем воздействия на массив:

а)    при подземной разработке угольных месторождений:

-    схемы I-а, I-б и II-а - на участках с некондиционными (забалансовыми) запасами углей (для промышленной добычи метана);

-    схемы I-в, II-б и II-в - при отработке балансовых запасов углей, поскольку созданная система искусственной трещиноватости позволяет дегазировать углепо-родный массив, разгрузить его от опасных значений концентрации напряжений и обеспечить безопасную работу очистных и подготовительных забоев этажа, панели, горизонта.

б)    при подземной разработке рудных месторождений -схемы I-в, I-б, II-б и II-в.

Созданная ВАГИДЭС и ЛАВОПОР система искусственной трещиноватости позволяет разгрузить массив горных пород от опасных напряжений на значительных площадях, привести массив в неудароопасное состояние, обеспечить безопасное и эффективное ведение горных работ.

ЛИТЕРАТУРА:

1.    Доклад Госгортехнадзора России «О состоянии промышленной безопасности, рационального использования и охраны недр Российской Федерации в 2002 году».
2.    Петухов И.М., Ильин А.М., Трубецкой К.Н. Прогноз и предотвращение горных ударов на рудниках. М.: изд. АГН, 1997. - 376 с.: илл.
3.    Александров А.В., Потапов В.П. Основы теории упругости и пластичности.: Высшая школа, 1990, - 400 с.
4.    Коваленко О.В., Сироткин В.К. Структура плоской волны разрушения. Теория распространения волн в упругих и упругопластических средах. Новосибирск: ИГД СО АН СССР. 1987. 147-153 с.
5.    Ямщиков B.C., Бондаренко В.Г. Корреляционные зависимости между акустическими свойствами и прочностью горных пород./ труды по физике. М.: МГИ, 1968 - 58 с.
6.    А.с. СССР № 1165801, с приоритетом от 14.04.81 г. «Способ акустического разрыва пласта горной породы «МУРОХ» / Липа В.И. и др./ МГИ.
7.    А.с. СССР № 123364 «Способвозбуждения каналовых волн»,с приоритетом от 13.01.84 г. / Кульчицкий В.Б. и др. / ВНИИГИС.
8.    Кульчицкий В.Б., Вернигор В.М. Волновая акустическая геотехнология интенсификации дебита нефтяных, газовых и дегазационных скважин, с. 71 - 75./ В сборнике трудов 4-й межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», том 1. Филиал СПГИ (ТУ) Воркутинский горный институт. Воркута, 2006.
9.    Кульчицкий В.Б., Вернигор В.М. Повышение эффективности дегазации угольных месторождений с применением волновой акустической геотехнологии интенсификации дебита эксплуатационных скважин, 224-228 с./В сборнике трудов научного конгресса «ГЕО-СИБИРЬ-2006», том 5. Сибирская государственная геодезическая академия, Новосибирск, 2006., 264 с.

Журнал "Горная Промышленность" №4 2006