При выявлении опасных зон системой мониторинга горного массива необходимо предусмотреть алгоритм действий, предупреждающих развитие опасных событий, который включает в себя идентификацию опасной зоны в части возможных рисков (горный удар, внезапный выброс, повышенное горное давление, мелкоамплитудное геологическое нарушение, выклинивание угольного пласта и др.).
Современные угольные шахты оснащены высокопроизводительной горной техникой, для безопасной и эффективной работы которой необходимо создавать условия, позволяющие достигать высоких нагрузок на очистные забои. Это обстоятельство предопределяет необходимость сокращения комплекса локальных мер прогноза и предупреждения динамических и газодинамических явлений, применяемых из очистных и проходческих забоев, в пользу более широкого применения комплекса региональных мероприятий. Например, приведение горного массива в безопасное состояние с применением региональных (дистанционных) способов, при постоянном мониторинге напряженно-деформированного состояния массива многофункциональной системой безопасности, с последующей интерпретацией результатов разгружающего воздействия на массив и выдачей разрешения на возобновление горных работ.
Данное направление является наиболее перспективным, поскольку исключает присутствие людей в опасных зонах, сопряженных с проявлениями горного давления в различных динамических формах в процессе выполнения локальных (прогнозных, профилактических) мероприятий и не ограничивает технические возможности высокопроизводительной горной техники. В настоящее время имеются активные технологии управления напряженно-деформированным состоянием углепородного массива, апробированными и наиболее эффективными из них (в том числе и их сочетание) являются:
- региональное увлажнение через скважины, пробуренные из выработок смежных пластов в свите с низконапорным и высоконапорным режимами нагнетания воды, поочередным подключением скважин в кусте поднагнетания воды и к дегазационному трубопроводу (или истечение метана в смесительную камеру);
- региональное увлажнение через скважины, пробуренные из выработок смежных пластов в свите с низконапорным режимом нагнетания воды и последующим гидроразрывом;
- гидромикроторпедирование вмещающих пород с гидрообработкой в различных режимах и последующим гидроразрывом;
- гидромикроторпедирование угольных пропластков в междупластьях с последующей гидрообработкой в различных режимах и гидроразрывом;
- увлажнение через скважины, пробуренные с поверхности и последующим гидроразрывом вмещающих пород;
- управление состоянием горного массива через скважины, пробуренные с поверхности (например, гидроразрыв для снятия напряжений в области высоких напряжений, применяемый ранее на подземных рудниках) и другие.
Положительный опыт управления напряженно-деформированным состоянием горных пород с применением технологии активного воздействия на угольные пласты, накопленный на шахтах Печорского угольного бассейна в 1980–1990-е годы, может стать полезным руководством для планирования соответствующих работ на других объектах.
На шахтах Печорского угольного бассейна использовали активные технологии управления напряженно-деформированным состоянием углепородного массива, которые применяются в качестве мероприятий по предупреждению горных ударов и внезапных выбросов, а также при разупрочнении труднообрушаемой кровли, но переориентированные в целях снижения концентрации напряжений в зонах повышенного горного давления (далее – зона ПГД) и предварительной дегазации угольного массива. Особенно этот подход был актуален при отработке свит угольных пластов, опасных по горным ударам и внезапным выбросам угля (породы) и газа, поскольку такие участки отрабатываются в зонах незащищенных надработкой или подработкой.
Отрабатываемые свиты угольных пластов на шахтах Воркутского месторождения классифицируются как опасные по горным ударам и внезапным выбросам, поэтому при выборе способов воздействия на углепородный массив руководствовались минимальным применением взрывных работ и максимальным использованием гидродинамического воздействия для разгрузки массива.
При формировании первых подходов к применению технологий активного воздействия на угольные пласты была применена безопасная для газовых шахт технология регионального увлажнения с параметрами, рассчитанными в соответствии с Инструкцией по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам.
Поскольку торпедирование только песчаников основной кровли не приводило к снижению концентрации напряжений в зоне повышенного горного давления, было принято решение о расположении торпедозарядов в угольных прослойках междупластья, что и явилось одним из основных параметров, определяющих эффективность управления состоянием массива в зонах повышенного горного давления с применением технологии гидромикроторпедирования.
Так, до проведения мероприятий по управлению состоянием массива в выемочном поле 234-з пласта Пятого шахты «Юр-Шор» в зоне ПГД от вышележащего пласта Мощного прогнозом степени удароопасности по выходу буровой мелочи были установлены I и II категории по Инструкции, то есть в зоне повышенного горного давления пласт Пятый из угрожаемого перешел в категорию опасного по горным ударам.
В целях безопасной отработки лавы 234-з пласта Пятого были приняты двухсторонняя и односторонняя схемы расположения скважин, пробуренных из выемочных выработок.
Рис.1. Диаграмма гидроимпульсного воздействия Р, МПа
На рисунке 1 приведена диаграмма гидроимпульсного воздействия, взрывогидрообработки и последующей гидрообработки, в соответствии с которой применялись следующие параметры воздействия на углепородный массив:
1. Предварительная низконапорная гидрообработка от пожарно-оросительного трубопровода при давлении до 1,5 МПа;
2. Гидроимпульсное воздействие с импульсным (ступенчатым) нагнетанием воды по 0,2–0,4 ρgH и последующим внезапным сбросом давления на 1,0 МПа, с временными промежутками (15–20 мин.) между последующими сериями нагнетаний.
3. Взрывогидродинамическое воздействие по технологии ГМТ;
4. Последующая гидрообработка при давлениях (0,2–0,4) ρgH, исключающих прорыв воды в соседние скважины.
Рис. 2 Диаграмма режима гидроразрыва Р, МПа
На рисунке 2 приведена диаграмма режимов гидроразрыва углепородного массива при давлениях 0,5–1,1 ρgH, в некоторых случаях давление гидроразрыва происходило при давлениях 21,0–25,0 МПа (1,4–1,6 ρgH). Объем закачиваемой воды в скважины до производства гидроразрыва в среднем составлял в 8,0 м³.
На приведенных диаграммах не указано время гидрообработки массива, так как из-за заполнения скважин углисто-аргиллитовой пластической массой давление в скважинах возрастало и появлялась угроза прорыва воды в соседние скважины. С целью исключения прорывов воды скважины прочищались – по два-три раза – буровым снарядом при помощи бурового станка СБГ-1М, затем продолжалась гидрообработка массива до закачивания расчетного количества воды.
Результаты применения активных технологий управления напряженно-деформированным состоянием углепородного в зоне ПГД:
- концентрация напряжений снизилась в 1,6 раза;
- массив горных пород приведен в неудароопасное состояние;
- исключены вывалы пород непосредственной кровли;
- исключен производственный травматизм по причине обрушения пород;
- до 0,5% снижена концентрация метана в исходящей струе выемочного участка;
- в 2,4 раза возросла суточная добыча очистного забоя;
- вовлечены в отработку около 400 тыс. тонн дополнительных запасов угля;
- исключены затраты по демонтажу-монтажу очистного механизированного комплекса до и после зоны ПГД, соответственно.
Предварительная дегазация с применением технологий активного воздействия на угольные пласты
При формировании первых подходов к предварительной дегазации угольного пласта «Мощный» была применена безопасная для газовых шахт технология регионального увлажнения с параметрами, рассчитанными в соответствии с действующими нормативными документами.
Применение технологии активного воздействия на угольный пласт было вызвано необходимостью своевременного и безопасного проведения конвейерного штрека 334-з с переходом границы особовыбросоопасной зоны приуроченной к линии расслоения пласта «Мощный», опасного по внезапным выбросам и горным ударам, в западном крыле шахты «Юр-Шор» производственного объединения «Воркутауголь».
Природная газоносность пласта «Мощный» составляла в среднем 48м3/т, средняя мощность пласта m=3,9м, угол падения от 7 до 13, гипсометрия – слабопологоволнистая.
Конвейерный штрек 334-з по пласту «Мощный» проводился сечением в свету 12,8м2. Проветривание забоя осуществлялось по двум вентиляционным трубопроводам диаметром 0,8 м двумя рабочими центробежными вентиляторами местного проветривания (ВМП) ВМЦГ-7 и ВМЦ-8. В качестве резервных ВМП применялись два вентилятора ВМЦ-8. Минимальная скорость движения воздуха превышала нормируемые 0,5м/с. Тем не менее, каждую рабочую смену происходили случаи загазирований забоя метаном до опасных концентраций (2,0% и более), что ставило под угрозу безопасность работающих и своевременную подготовку нового выемочного столба 334-з пласта «Мощный».
Поскольку пласт «Мощный» отрабатывался как одиночный, с применением предварительного регионального увлажнения из конвейерных штреков 234-з и 334-з нижележащего пласта «Пятый», было принято решение произвести первоочередное бурение скважин в районе линии расслоения пласта «Мощный» по восстанию и по падению из конвейерного штрека 334-з пласта «Мощный» (Рис. 3).
Рис. 3. Схема регионального увлажнения при пересечении конвейерным штреком 334-з пласта «Мощный» особовыбросоопасной зоны
Бурение кустов скважин осуществлялось станком СБГ-1М из буровых камер, пройденных по падению и восстанию. Расстояние между скважинами С=2Rэф. составляло в среднем 30м, расстояние между скважиной и сечением конвейерного штрека 334-з пласта «Мощный» в черне - не менее 1,5 Rэф., угол наклона скважин к горизонту варьировал от 5º до 75º, длина скважин – от 39 м до 112 м.
Схема расположения скважин регионального увлажнения пробуренных из конвейерного штрека 334-з пласта Пятого на пласт «Мощный», на разрезе вкрест простирания, приведена на Рис. 4.
Рис. 4. Схема расположения скважин регионального увлажнения пробуренных из конвейерного штрека 334-з пласта Пятого на пласт «Мощный»
Скважины подключались к пожарно-оросительному трубопроводу и увлажнение пласта «Мощный» осуществлялось в низконапорном режиме при давлении до 1,5 МПа. Основная цель заключалась в дегазации участка пласта «Мощный» с целью предупреждения загазирований и внезапных выбросов в забое конвейерного штрека 334-з пласта «Мощный».
Для реализации поставленной цели нагнетание воды в скважины осуществлялось поочередно высоконапорной насосной установкой УНГ с темпом нагнетания 10-15 л/мин. Выпуск исходящей из скважин метановоздушной смеси осуществлялся в смесительные камеры, оборудованные на сопряжениях с буровыми камерами.
Окончанием работ по предварительной дегазации участка пласта «Мощный» явилось снижение концентрации метана на выходе из смесительных камер с 2,0% до 0,5 % в конвейерном штреке 334-з нижележащего пласта «Пятый».
По прошествии месяца, комплекс работ по дегазации был завершен и возобновилась проходка конвейерного штрека 334-з пласта «Мощный» без загазирований, проветривание осуществлялось одним рабочим вентилятором местного проветривания ВМЦ-8.
Приведенный опыт показывает, что способы управления состоянием массива, предназначенные для борьбы с горными ударами, могут успешно применяться и для предварительной дегазации угольного массива.
Действующими нормативными требованиями в области промышленной безопасности предусмотрен порядок внедрения новых методов прогноза или предотвращения динамических явлений, поэтому данный опыт может оказать методическую помощь научным и проектным организациям, угольным компаниям в вопросах безопасной отработки угольных пластов опасных по газодинамическим явлениям.
Литература:
1. Федеральные нормы и правила «Правила безопасности в
угольных шахтах» (п. 22).
2. Вернигор В. М. О проблеме управления напряженно-дефор-
мированным состоянием горного массива при подземной раз-
работке свиты угольных пластов на глубоких горизонтах шахт
Воркутского месторождения: Народное хозяйство Республики
Коми. № 1–2, т. 4, 1995. – С. 91–95.
3. Вернигор В. М., Субботин А. И., Гусельников Л. М.,
Осипов А.Н. Повышение безопасности горных работ в
зонах ПГД: Безопасность труда в промышленности. № 11,
1997. – С. 25–27.
4. Вернигор В. М., Кульчицкий В. Б., Кульчицкий С. В.
Предупреждение горных ударов и внезапных выбросов в
горнодобывающей промышленности: Горная промышленность.
№ 4, 2006. – С. 4–9.
5. Вернигор В. М., Шабаров А. Н., Кротов Н. В.,
В. В. Варшавский. Принципы построения и реализации много-
функциональных систем безопасности в угольных шахтах
по обеспечению контроля напряженно-деформированного
состояния горного массива. ISSN 0135-3500. Записки Горного
института. Санкт-Петербург, 2014. – С. 141–144.
6. Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам, 1988. 3. Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах. М.: Недра, 1986.
7. Руководство по безопасности «Рекомендации по безопасному ведению горных работ на склонных к динамическим явлениям угольных пластах» (приложение 5). Утверждено приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору РФ от 21.08.2017 г. № 327.
