В. В. Колмаков Кузбасский государственный технический университет

Вид материала

Анализ

Подобный материал:

• «Кузбасский государственный технический университет», 806.75kb.
• Заместитель главы г. Кемерово по социальным вопросам,, 93.69kb.
• Осрб 1-36 04 02-2008, 702.53kb.
• Уважаемые коллеги, 74.66kb.
• Организация управленческого учета на предприятиях химической промышленности, 219.44kb.
• Методические подходы к оценке конкурентоспособности продукции (на примере машиностроительных, 489.78kb.
• Научная программа конференции включает следующие основные направления: Химия и химическая, 72.58kb.
• Оао «Белон» Vмеждународная научная конференция инновации в технологиях, 162.37kb.
• «Астраханский государственный технический университет», 377.57kb.
• Конкурс проводится в соответствии с утвержденным планом научных мероприятий гоу впо, 88.9kb.

В. В. Колмаков

Кузбасский государственный технический университет

КОМПЛЕКС РАДИОВОЛНОВЫХ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ
НАРУШЕННОСТИ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД

Анализ травматизма на угледобывающих шахтах России за последние 30 лет показывает, что основная его доля приходится на подготовительные, очистные и действующие подъемные горные выработки - 85-90 % от общешахтного. В 80 % этих случаев пострадавшими являются рабочие и ИТР, непосредственно проводящие горные работы. Среди причин травматизма значительную часть составляют обрушения угля и породы, взрывы метана. Так, в 1967 году эти факторы обусловили 52 % от общего количества травм, в том числе смертельных. Наблюдается динамика снижения как общего числа травм (с 1993 по 1996 гг. - в 2 раза), так и доли вышеуказанных причин (1986 г. - 50 %, 1996 г. - 40 %). Это объясняется внедрением более мощной горной техники, отказом от устаревших технологий (ручные лавы, разработка крутопадающих пластов на глубоких горизонтах), снижением объемов добычи угля. В России, как и во всем мире, наблюдаются тенденции к увеличению длины лавы, выемочных столбов, уменьшению числа очистных забоев и повышению нагрузки на них. С 1990 по 1995 гг. средняя длина очистного забоя увеличилась на 7 метров и составила 126 м, имеются лавы длиной 200 и более метров. Для сравнения: в США отрабатывается столб длиной 6700 м, лава длиной 335 м, ширина захвата комбайна 0,91 м с перспективой увеличения до 1,5 м.

Однако проблемы, связанные с горным давлением и газом, обостряются, т.к. учащаются случаи обвалов и обрушений при проведении выработок, разработке мощных пластов. Усиливается загазованность выработок при добыче углей с большой нарушенностью и газоносностью, что приводит к ограничению темпов очистных работ, взрывам метана. Начиная с глубин 300-350 м, считаются выбросоопасными те пласты, на которых подобных явлений не наблюдалось за весь предшествующий период отработки, т.е. складывается принципиально иная геомеханическая ситуация. На малых глубинах выемочные столбы с длиной лав около 100 м дегазировались в большинстве случаев естественным способом. В условиях больших глубин при существенно большем содержании метана в углях растет ограничение нагрузок на очистной забой по газовому фактору, что требует применения принудительной дегазации. Вертикальные дегазационные скважины с поверхности на глубину 400 и более метров имеют стоимость в несколько десятков миллионов рублей и низкую эффективность, в связи с чем необходимы разработка и внедрение новых способов дегазации, реализуемых при оптимальных затратах.

Мировая практика по применению анкерных крепей свидетельствует, что в США ими крепится 95 % подземных горных выработок, в Австралии - 90 %, в Англии - 88 %, в России - 14 %. Известно, что металлическая арочная крепь в 5-7 раз дороже анкерной и большие объемы использования последней за рубежом объясняются тем, что месторождения, не пригодные к её применению, неконкурентоспособны и в большинстве случаев не разрабатываются. Кроме того, процесс анкерного крепления хорошо поддается механизации при высоких темпах проходки (до 100 м в сутки). Малые объемы применения анкеров в России обусловлены тем, что ряд шахт находится в сложных горно-геологических условиях, отсутствуют в необходимом количестве современные станки для бурения шпуров под анкеры длиной 2 м и более. Отметим, что в 1986 г. доля анкерной крепи составляла 25 %, достигая на отдельных шахтах 35 %. Однако ряд обрушений, произошедших ввиду отсутствия необходимого научного обоснования области применения параметров крепи, из-за принципиальных конструктивных недостатков замковых анкеров (низкая нагрузочная способность, потеря её при размокании пород), привел к снижению объемов анкерного крепления, а зачастую к полному отказу от него.

В последние годы, как в стране в целом, так и в Кузбассе, объемы анкерного крепления возрастают. Анкеры нового поколения - сталеполимерные - имеют высокую нагрузочную способность - 80 кН и более, время их установки не превышает 2 минут. В основном применяются стандартные анкеры длиной 1,8 м. Опыт научно-практических работ, проводимых сотрудниками Института угля СО РАН и Центра анкерного крепления Кузбасса (ЦАКК). показывает, что именно на этих глубинах в кровле ряда пластов залегают ослабленные слои углистых алевролитов и аргиллитов. Отмеченные в последние годы случаи обрушения подтверждают необходимость более детального обследования условий применения анкеров геомеханическими и геофизическими методами. Отдельные участки горных выработок пересекают зоны перемятых пород и угля, в которых необходимо применять анкерную крепь совместно с рамной либо полностью переходить на крепление последней, т.к. анкеры в этом случае не закрепляются за сводом естественного равновесия пород и “сшивание” кровли не происходит.

С целью решения указанных выше задач сотрудниками ИУ СО РАН и КузГТУ на шахтах Кузбасса проводятся работы по газогеофизическому мониторингу углевмещающей толщи горных пород. В ходе исследований производятся определение мощности зоны техногенной трещиноватости, контроль стадии и динамики нарушенности приконтурного массива, выявление ослабленных слоев в кровле, выделение в выемочных столбах зон с критической нарушенностью и повышенной газоносностью. Для этого применяется геофизический комплекс бесскважинных электромагнитных методов, включающий радиоволновое зондирование (РВЗ) и регистрацию естественного электромагнитного излучения (ЕЭМИ) горных пород при трещинообразовании. Методы не требуют проведения буровых работ, чем достигается малая трудоемкость и высокая оперативность измерений. Устойчивость к воздействию помех от электрических сетей и горно-шахтного оборудования обеспечивается применением излучающих и приемных антенн направленного действия. Оптимизацией методических решений достигается необходимая детальность контроля параметров нарушенности бортов и кровли как по длине выработок, так и в глубь массива.

Разработаны теоретические основы распространения и регистрации электромагнитных полей в нарушенных горных породах. Установлены зависимости амплитудно-частотных характеристик свойств пород, условий их нагружения, размеров и ориентировки трещин в массиве. Разработана и создана измерительная аппаратура во взрывозащищенном исполнении, включающая широкополосный анализатор спектра электромагнитной эмиссии АЭМИ-1 и прибор для радиоволнового зондирования массива РВЗ-1Ш. Комплекс приборов имеет автономное аккумуляторное питание, малый вес и габариты. Высокая точность и оперативность определения параметров поля обеспечиваются использованием цифровой обработки сигналов и автоматической коммутацией пределов измерений в диапазоне входных сигналов 110 дБ. Аппаратура прошла метрологическую аттестацию, промышленные испытания в соответствии с разработанными методическими указаниями по применению показали положительные результаты.

Прибором АЭМИ-1 определяется интенсивность разрушения массива в различных условиях: в проходческих забоях, зонах активного разрушения пород, на сопряжениях очистных и подготовительных выработок, а также оцениваются стадия и размеры образующихся в кровле трещин при нагружении анкеров.

Радиоволновое зондирование используется для классификации природной и техногенной нарушенности приконтурного массива по 4 категориям, включая критическую; определения мощности зон техногенной трещиноватости в бортах выработок, расслоений в кровле; выявления направления преобладающих систем трещин.

Обработанная на персональном компьютере информация представляет собой карту нарушенности приконтурного массива с дискретизацией по длине выработки 5-10 м. Погрешность в определении мощности зон техногенной трещиноватости и глубин залегания расслоений по результатам контрольных осмотров скважин перископом не превышает 10 % до глубин порядка 6 м.

Применение полученных результатов осуществляется следующим образом. В случае выделения протяженных (20 и более м) нарушенных зон в выработке проводится периодический контроль динамики трещинообразования, оценивается состояние и прогнозируется устойчивость кровли. На одном их таких участков протяженностью 30 м в течение 5 месяцев наблюдался постоянный рост нарушенности вмещающих пород. Вывалообразование отмечено на всем протяжении участка по достижении критической нарушенности кровли¹.

Для разработки рекомендаций по применению анкерного крепления и оптимизации его параметров в различных условиях сотрудниками ИУ СО РАН и ЦАКК проводится комплекс исследований, включающий дополнительно: измерения конвергенции кровля - почва; установление высоты свода естественного равновесия; определение несущей способности анкеров и нагрузок на них в процессе эксплуатации. Результатом работ является паспорт крепления выработки и пояснительная записка к нему. В процессе поддержания таких выработок контролируется состояние крепления, в том числе в зонах влияния очистных работ².

Определена газообильность угольного массива в зонах повышений трещиноватости и газоотдачи, а также в ненарушенных зонах. Разработаны теоретические и методические основы оптимизации режимов дегазации. С целью снижения загазованности выработок, оконтуривающих выемочные столбы, дегазационные скважины в угольном пласте закладываются в нарушенные зоны с высоким содержанием метана. Это позволяет в 10-20 раз разрядить сеть скважин при сохранении нормативной эффективности дегазации и увеличении дебита газа из скважин. Практическое использование предложенного способа дегазации на основе газогеофизического мониторинга позволило снизить содержание метана в выемочном столбе почти в 2 раза и во столько же раз уменьшить расход воздуха, подаваемого в лаву. За счет перераспределения резерва без дополнительных затрат обеспечивалось проветривание нижележащего проходческого забоя. Таким образом, принятые меры позволили повысить безопасность подготовительных и производительность очистных работ вследствие снятия ограничений по газовому фактору³.

Получено 20.01.99.