Методы прогноза удароопасности и выбросоопасности на различных стадиях освоения месторождений.

На стадии разведки месторождения или инженерно-геологических изысканий получают исходные данные для выполнения регионального прогноза удароопасности и выбросоопасности.

При этом способность горных пород к накоплению упругой энергии оцененивают посредством испытаний механических свойств пород с использованием буровых кернов геологоразведочных скважин.

Полную информацию о степени удароопасности пород можно получить по результатам испытаний в режиме контролируемого разрушения, сравнивая модули спада и модули упругости. Однако, эти методы испытаний ещё не являются широко распространёнными, поэтому некоторые предположения полезно делать и по результатам обычных стандартных испытаний.

В частности, для пород, потенциально склонных к горным ударам, зависимости «нагрузка—деформация» близки к прямолинейным, т. е. деформирование пород соответствует закону Гука в интервале нагружения образцов, практически, вплоть до их разрушения.

В породах, не склонных к горным ударам, при испытаниях наблюдается развитие пластических деформаций. Зависимости «нагрузка—деформация», начиная с некоторого уровня напряжений, выполаживаются, т. е. деформации растут быстрее, чем нагрузки, закон Гука не выполняется.

Для угольных пластов, опасных по горным ударам, прямолинейные зависимости «нагрузка—деформация» соблюдаются в интервале напряжений до 80% от разрушающих.

Детально исследуется структура массива пород, степень распространения и параметры тектонических нарушений, раздробленных и перемятых зон, пликативных нарушений, пережимов, раздувов и выклиниваний, а также изменение относительной мощности и механических характеристик отдельных пачек пород. Выявляются наличие в массиве прочных слоев или пластов пород, способных зависать над очистным пространством, создавая высокие концентрации напряжений вблизи забоя.

Изучаются коллекторские свойства массива, устанавливаются показатели газоносности, газонасыщенности пород, величины давлений в них газов. Внезапные выбросы в угольных пластах могут происходить при минимальном давлении газа 2—3 кгс/см². Если давление газа достигает 10—15 кгс/см², выбросы обычно сопровождаются заполнением выработок газом, в подготовительных выработках происходит уплотнение выброшенных пород.

Большое внимание уделяется анализу гидрогеологических условий. С увеличением содержания влаги в породе выбросоопасность снижается, поскольку, в первую очередь, возрастает способность породы к пластическим деформациям и снижается способность к хрупкому разрушению. Кроме того, адсорбирование влаги ведет к понижению сорбционной емкости породы по газу. Увлажнение пород сверх предела их адсорбционного насыщения в смеси с газом (для каменных углей разных марок этот предел составляет от 4 до 7%) приводит к обводнению этих пород. При этом помимо адсорбции происходит капиллярная конденсация воды. Приточная и капиллярная влага закупоривают тонкие поры горных пород, препятствуя десорбции газа. При увеличении же водопритока вода может заполнять также более крупные поры и трещины, еще более затрудняя фильтрацию газа.

По результатам анализа керна геологоразведочных скважин делают первые выводы и о характере напряжённого состояния массива. В частности, разрушение керна на диски (дискование) или ориентированные разрушения контуров сечений скважин указывает на наличие повышенных напряжений позволяет судить о направлении их действия в массиве пород.

Если разведку и изыскания ведут на месторождении или в бассейне, где уже осуществляют разработку, то для оценки удароопасности пород данного объекта существенное значение имеет анализ и сравнение горно-геологических условий этого объекта и объектов уже действующих, т. е. использование метода аналогий.

В тех случаях, когда разведку или инженерно-геологические изыскания ведут с проходкой не только скважин, но и горных выработок, следует выполнять измерения тензора напряжений в натурных условиях, а также определения свойств пород с учётом низких порядков структурных неоднородностей.

Оценка удароопасности пород на стадии разведки и изысканий носит обычно предварительный характер и уточняется на стадии строительства или эксплуатации объекта, при проходке выработок и ведении добычных работ для целей локального прогноза состояния конкретных участков массива.

При этом объективными признаками удароопасности и выбросоопасности, предвестниками горных ударови выбросов являются:

* интенсивное разделение породных кернов на диски (при керновом бурении опережающих прогнозных скважин);

* изменение крупности штыба при бурении шпуров и скважин (в перенапряженных участках увеличивается до 10 раз и более с возрастанием крупности);

* возрастание коэффициента использования шпуров до единицы и даже более;

* увеличение дальности отброса от забоя и степени измельчения пород при взрывании;

* изменение блеска угля;

* образование облачка пыли у забоя;

* похолодание воздуха у забоя;

* усиление газовыделения;

* появление чешуйчатости пород и отделение от забоя вкрест наслоению пород тонких породных пластин (толщиной от нескольких миллиметров до 1—2 см),

* стреляния, толчки на буровой инструмент и зажатие штанг, слабые горные удары, сопутствующие производственным процессам (бурению и взрыванию шпуров и скважин, работе врубовых машин, комбайнов и т. п.).

Примечательно, что стреляние, толчки и слабые горные удары, если они в данной ситуации стали проявляться, обычно представляют собой не единичные явления, а серии однохарактерных явлений, сопутствующие определённым добычным процессам. Например, стреляние в проходческих забоях обычно начинается сразу же после взрывания очередного вруба и представляет собой процесс отскакивания плиток породы, происходящего с короткими интервалами из наиболее напряженного участка приконтурного массива.

Предвестником горных ударов и других динамических проявлений, причем наиболее изученным, является изменение сейсмоакустической активности массива, т е. изменение числа естественных сейсмоакустических (преимущественно звуковых) импульсов в массиве горных пород, связанных с микроразрушениями под влиянием возрастающих напряжений в соответствующих частях массива. На регистрации и анализе этих импульсов основаны сейсмоакустические методы прогноза горных ударов и выбросов.

Применительно к различным породам количественные критерии сейсмоакустической активности (критическая интенсивность микроразрушений), свидетельствующие об удароопасности и выбросоопасности, могут быть существенно различны.

Например, для условий различных шахт и пластов Кизеловского бассейна установлено, что пласты следует считать удароопасными, если при бурении скважины диаметром 42—45 мм, общая длина которой равна тройной мощности пласта, среднее число сейсмоакустических импульсов, отнесенное к 1 м скважины, превышает 2 - 5 импульсов.

Сейсмоакустические наблюдения позволяют оценить интенсивность микроразрушений, определить местоположение очагов наиболее интенсивного микроразрушения и трещинообразования, выявить наличие удароопасных и выбросоопасных зон по критической скорости трещинообразования.

Варьирование сейсмоакустической активности соответствует изменению напряженного состояния пород. Обычно перед горным ударом сейсмоакустическая активность резко возрастает, а затем, за 30 - 40 минут до удара, практически исчезает. Степень снижения сеймоакустической активности позволяет также оценивать эффективность мероприятий, направленных на устранение опасной ситуации.

Следует, однако, иметь в виду, что аномальное возрастание сейсмоакустической активности (шумности) участка массива не всегда свидетельствует об удароопасной или выбросоопасной ситуации. В определенных случаях оно предшествует внезапным осадкам кровли, высыпаниям и другим явлениям в породном массиве, не представляющим опасности. Поэтому сейсмоакустический прогноз не всегда обеспечивает стопроцентную надежность и в таких случаях требует дополнения другими методами.

Для регистрации и прогноза горных ударов применяют также сейсмические методы. Сейсмические станции, создаваемые в районах проявления горных ударов, наряду с сейсмоакустической аппаратурой оснащают чувствительными сейсмографами и наклономерами. Располагая пункты сейсмических наблюдений в различных точках шахтного поля, периодически составляют карты микросейсморайонирования, позволяющие выделять на определенные периоды сейсмически активные зоны, в пределах которых наиболее вероятно проявление горных ударов.

В случае горного удара сейсмические наблюдения позволяют определить координаты в глубину гипоцентра, т. е. очага горного удара, оценить количество сейсмической энергии, установить частотный спектр, длительность, амплитуду и другие параметры возникших сейсмических колебаний.

Поскольку во многих случаях горные удары происходят в целиках, оставленных в выработанном пространстве, на отработанных горизонтах, пластах, жилах, куда нет непосредственного доступа, такие наблюдения позволяют оценивать не только параметры происходящих горных ударов, но и уровня накопленной потенциальной энергии (а, следовательно, и удароопасной ситуации) на различных участках шахтного поля.

Новые принципы прогнозирования выбросоопасности и определения безопасной зоны в призабойной части угольного пласта разработаны в Институте проблем комплексного освоения недр (ИПКОН РАН) под руководством профессора А. Т. Айруни. В их основе лежит оценка динамики состояния системы “уголь—метан—природная влага” в зависимости от внешних воздействий, связанных с различными природными и технологическими процессами.

Так установлено, что природная газопроницаемость выбросоопасных пластов в 1,5—2,5 раза выше природной газопроницаемости невыбросоопасных пластов, в то же время природная газопроницаемость выбросоопасных зон на 1—2 порядка ниже, чем у невыбросоопасных зон одного и того же пласта. Восстановление давления метана в до природного значения в выбросоопасных зонах происходит в 5—10 раз медленнее, а абсолютное значение на 60—70% выше, чем в невыбросоопасных зонах.

Угли выбросоопасных пластов в опасных зонах характеризуются тектонической перемятостью и нарушенностью, имеют зоны переизмельченного угольного вещества с размером зерен менее 1 мкм, которое заполняет первичные трещины и задерживает газ в угле при незначительных пригрузках. Это ведет к накоплению газа впереди движущегося забоя, которые выделяются с большой скоростью при возникновении сравнительно малых нарушений сплошности.

Важным отличительным признаком выбросоопасных углей является наличие закономерной текстуры, обусловленной влиянием тектонических процессов в зонах дислокационных нарушений, и равномерно распределенных эмульсионных минеральных включений.

На основе использования этих принципов и признаков открывается возможность разработки новых автоматизированных непрерывного и бесконтактного определения свойств и состояния призабойной части угольного пласта с дистанционной передачей информации на поверхность или непосредственно на систему управления механизмами.