Автоматизированный прогноз динамических явлений

Рассмотрены существующие методы прогноза горных ударов и внезапных выбросов угля и газа, их основные недостатки и пути их преодоления за счёт применения прогноза по параметрам искусственного акустического сигнала. Приведены основные характеристики системы контроля массива горных пород и прогноза динамических явлений.

Среди динамических явлений (далее — ДЯ) из-за последствий их проявления особое место занимают выбросы угля и газа и горные удары. На шахтах Кузбасса к настоящему времени произошло 127 горных ударов и 196 внезапных выбросов угля и газа. Борьба с этими природными явлениями состоит в выявлении опасных участков методами прогноза и выполнении в их пределах мер предотвращения ^[1].

В качестве прогноза удароопасности на склонных к горным ударам (угрожаемых и опасных по горным ударам) угольных пластах применяется поинтервальное бурение скважин в забое очистной или подготовительной выработки и измерение количества выхода угольной мелочи. Диаметр скважин 42-44 мм, длина 6-12 м зависит от мощности угольного пласта. Бурение контрольных скважин выполняют через 25 м подвигания очистного забоя и через 75 м подвигания подготовительного забоя, а также через 2 м подвигания забоев на участках угольного пласта с особо сложным ведением горных работ. К таким участкам относятся зоны повышенного горного давления (далее — зоны ПГД), зоны влияния геологических нарушений, передовые выработки ^[2].

Прогноз выбросоопасности в забоях подготовительных выработок на склонных (угрожаемых и опасных) к выбросам угля и газа угольных пластах выполняется по структуре угольного пласта, которая определяется по прочности угля и по результатам измерения начальной скорости газовыделения из скважин, пробуренных по потенциально опасным пачкам угольного пласта. Диаметр бурения скважин 42-44 мм, длина 5,5-6,5 м зависит от мощности угольного пласта. Прогноз выполняют через 4 метра подвигания подготовительного забоя. В очистном забое прогноз выполняется тем же методом на участках потенциально опасного угольного пласта, которые определяются по результатам геофизических исследований в подготовленном к отработке выемочном столбе ^[3].

Применяемые на шахтах методы прогноза разработаны более 20 лет назад и не соответствуют современным требованиям угледобывающих предприятий как с технологических, так и с экономических позиций. Основные недостатки этих методов заключаются в следующем:
• существенная зависимость результатов прогноза от субъективного фактора, профессионального уровня людей, выполняющих прогноз, отсутствие возможности оперативно проверить качество выполнения прогноза;
• низкая технологичность, обусловленная необходимостью в действующем забое бурить серии скважин с остановкой забоя на время прогноза;
• применение одинаковой методики прогноза на угрожаемых и опасных по динамическим явлениям угольных пластах.

В Донбассе расследования аварий и инцидентов, связанных с выбросами угля и газа, показали, что до 80% случае произошли при влиянии или полной зависимости от субъективного фактора на результаты прогноза и выполнения мер предотвращения выбросоопасности.

Недостатком, например, прогноза горных ударов в подготовительных выработках служит его выполнение вне опасных зон через 75 метров подвигания забоя. Поскольку размер фиксируемых опасных по горным ударам зон не превышает 30 метров, существует опасность пропуска не менее двух потенциально опасных зон между циклами выполнения прогноза. Следует учесть, что в подготовительных выработках произошло значительно больше горных ударов, чем в очистных забоях.

Участки угольного пласта с особо сложными условиями ведения горных определяются по планам горных работ без предварительной их оценки, прогноз удароопасности в них необходимо выполнять через каждые два метра подвигания забоя. При длине скважин от 6 до 12 метров неснижаемое опережение составляет от 4 до 10 метров, что является избыточным и не способствуют повышению достоверности прогноза и в и тоге — обеспечению безопасности ведения горных работ.

Начальный этап прогноза на выбросоопасных угольных пластах заключается в определении прочности угля по глубине внедрения в него конуса специального устройства. От результатов определения прочности угольного пласта зависит итог прогноза, между тем определение прочности имеет наибольшее влияние субъективного фактора. Практика ведения прогноза выбросоопасности, например, в глубоких шахтах Донбасса, показала недопустимость определения прочности угля в качестве метода прогноза на опасных по внезапным выбросам угольных пластах.

Применяемое в качестве мер предотвращения бурение разгрузочных скважин не обеспечено контролем состояния массива горных пород и безопасности бурения в части возможного выброса угля и газа. Возведение ограждающего предохранительного щита неэффективно для защиты выполняющих бурение людей, нетехнологично и практически не применяется.

Нетехнологичность существующих методов прогноза в условиях достигнутого уровня технического оснащения горного производства, является сдерживающим фактором темпов ведения горных работ.

Оценка влияния прогноза горных ударов на темпы ведения очистных и подготовительных работ на угрожаемых по горным ударам угольных пластах выполнена на схематическом примере и по факту ведения горных работ на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс». На рисунке 1 приведена схема прогноза горных ударов на выемочном участке при наличии зоны ПГД, в верхней, центральной и нижней частях которой необходимо бурить по две скважины через каждые 2 м подвигания забоя.

Для расчёта влияния прогноза удароопасности на темпы ведения горных работ только в зонах ПГД приняты следующие условия: длина лавы — 300 м, вынимаемая мощность — 2 м, плотность горной массы — 1,3 т/м³, ширина полосы вынимаемого угля 0,8 м, количество угля с одной с тружки — 624 т, количество скважин для прогноза в зоне ПГД – 6 штук, затраты времени на прогноз по одной скважине 20 минут (данные хронометража при благоприятных условиях), затраты времени на один цикл выемки угля 105 минут, на подготовительно заключительные операции — 10 минут.

Работа очистного забоя по добыче угля проводится 20 часов в сутки. С прогнозом горных ударов количество циклов выемки угля сокращается с 11 циклов до 7, а добыча угля снижается с 7000 тонн до 4500 тонн в сутки. Таким образом, в приведённых условиях применение прогноза удароопасности только в зонах ПГД (без учёта необходимости выполнения прогноза в зонах геологических нарушений и передовых выработок) в 1,5 раза снижает объём добычи угля. В современных рыночных условиях такое снижение добычи равносильно закрытию предприятия. Исходные данные для оценки влияния прогноза удароопасности в подготовительной выработке, проводимой в зоне ПГД: подвигание забоя за цикл 1,0 м, количество прогнозных шпуров в зоне ПГД — 6 штук, затраты времени на прогноз удароопасности по одной скважине 20 минут, затраты времени на выполнение одного полного цикла по проведению выработки 90 минут, продолжительность работы по проведению выработки 18 часов в сутки.

Количество циклов по проведению выработки в сутки без проведения прогноза 12, подвигание забоя за сутки 12 метров, с прогнозом горных ударов — 7 циклов за сутки и 7 метров подвигания забоя.

Приближенная оценка плановых объёмов бурения прогнозных скважин на шахтах ОАО «СУЭК Кузбасс» в 2015 г. приведена в Таблице 1.

По приведённым данным общая длина скважин на шахтах ОАО «СУЭК Кузбасс» для прогноза удароопасности при средней их длине от 8 до 10 м составит около 4,8 тыс. км. На бурение такого количества скважин необходимо затратить около 29 000 смен. Для поддержания необходимых темпов проведения выработок и ведения очистных работ угледобывающая организация обратилась к руководству Кемеровского представительства ВНИМИ с просьбой оценить фактическую удароопасность разрабатываемых угольных пластов на достигнутых глубинах и разработать рекомендации по изменению периодичности бурения скважин. Были выполнены необходимые исследования и шахтам выдано заключение, позволившее выполнить запланированные объёмы горных работ.

Действующая Инструкция по горным ударам ^[2] допускает, на основании заключения ВНИМИ, изменять параметры ведения прогноза. Однако во второй половине 2016 г. будут введены в действие федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности: «Инструкция по прогнозу динамических явлений и мониторингу массива горных пород при отработке угольных месторождений», в которых такая возможность исключена. Вместе с тем, федеральные нормы и правила предусматривают расширение методов прогноза, в том числе за счёт применения прогноза по параметрам искусственного акустического сигнала, который позволяет автоматизировать прогноз и исключить перечисленные выше недостатки существующих методов прогноза ДЯ.

При использовании положения федеральных норм и правил и результаты разработки мер борьбы с газодинамическими явлениями в Донбассе была разработана система
акустического контроля массива горных пород и прогноза динамических явлений СА КСМ (далее — система СА КСМ).
Система СА КСМ позволяет осуществлять:
• прогноз всех видов динамических явлений: удароопасности и выбросоопасности, внезапных выдавливаний угля, разрушения пород почвы с интенсивным газовыделением;
• прогноз геологических нарушений впереди забоя;
• контроль безопасности бурения скважин на склонных к внезапным выбросам угольных пластах;
• оценку эффективности мер предотвращения ДЯ;
• контроль состояния призабойной части массива горных пород;
• определение параметров напряженно-деформированного состояния массива горных пород;
• контроль технологических процессов в очистных и подготовительных забоях.

По каждой из перечисленных задач разработаны алгоритмы обработки и анализа искусственных акустических сигналов. Схема их реализации общая: регистрация акустического сигнала, возбуждаемого воздействием на массив горного оборудования, передача его на поверхность, обработка и анализ программными средствами. Физическими основами прогноза ДЯ служит связь параметров спектра искусственного акустического сигнала со слоистым строением углевмещающих пород и развитием межслоевых деформаций ^[5] и установленный характер развития межслоевых деформаций и возвратно-поступательные движения максимума опорного давления в движущемся забое ^[6].
Алгоритмы и методы решения перечисленных задач прошли всестороннюю проверку в различных горно-геологических условиях.

На шахтах Донбасса методы акустического контроля массива горных пород и прогноза ГДЯ применяются более 15 лет, в том числе на шахте им. А.А. Скочинского, разрабатывающей особо выбросоопасный угольный пласт h’6. О степени опасности угольного пласта свидетельствуют следующие факты: на шахте в период 2000-2010 г.г. при сотрясательном взрывании в нишах ежегодно происходило от 12 до 83 выбросов и микровыбросов угля и газа. После 2010 года выемка угля в лаве выполняется после гидрорыхления угольного пласта, эффективность которого контролируется по параметрам искусственного акустического сигнала, а также при прогнозе выбросоопасности по параметрам искусственного акустического сигнала в каждом цикле выемки угля. В Донбассе более 10 шахт, отрабатывающих опасные по ГДЯ угольные пласты, применяют прогноз выбросоопасности, геологических нарушений и контроль мер предотвращения ГДЯ по параметрам искусственного акустического сигнала.

На шахте «Первомайская» в Северном Кузбассе горно-экспериментальные исследования выполнены на участке выброса угля и газа. Несмотря на происшедшую разгрузку массива горных пород, на расстоянии 5 м от выброса прогностические параметры искусственного акустического сигнала увеличиваются до 2,5 раз относительно фоновых значений. На шахте «Алардинская» в Южном Кузбассе в газодренажном штреке 6-1-11 прогнозом по выходу буровой мелочи при бурении скважин установлена опасная зона, в которой выполнен определенный объём бурения разгрузочных скважин. Горно-экспериментальные исследования установили, что в потенциально опасной по горным ударам зоне скважины не в полной мере разгрузили массив горных пород, прогностические параметры искусственного акустического сигнала на расстоянии до 10 метров повышаются в 1,5 раза, а со стороны сбойки – более чем в 3 раза.

В бокситовых шахтах Северного Урала (СУБР) горно-экспериментальные исследования выполнены в горных выработках, на подготовленных к выемке бокситов участках с различной степенью опасности. Установлено, что в подготовительном забое потенциально опасного участка прогностические параметры искусственного акустического сигнала изменяются в 4 раза и более относительно значений на неопасных участках. По параметрам искусственного акустического сигнала в условиях бокситового месторождения оказалось возможным прогнозировать приближение забоя подготовительной выработки к геологическому нарушению и оценивать разгружающее воздействие на массив горных пород бурение скважин диаметром 110 мм длиной до 60 м.

В 2014 г. система СА КСМ прошла приёмочные испытания на шахте «им. С.М. Кирова» ОАО «СУЭК-Кузбасс. В качестве объектов для оценки эффективности применения системы служили зоны ПГД на угольном пласте Поленовский, сформированные целиками угля на отработанном выше угольном пласте Болдыревский, и геологические нарушения на обоих угольных пластах ^{[7, 8]}. Определена также возможность оценки параметров напряжённо-деформированного состояния призабойной части массива и эффективности бурения разгрузочных скважин. Данные, полученные системой СА КСМ, дополнены результатами акустического зондирования, выполненного по аномальным объектам в объёмах, достаточных для оценки эффективности метода. Определение прогностических параметров при обработке акустического зондирования осуществлялось по алгоритму системы СА КСМ. Всего выполнено наблюдений в 14 зонах ПГД и в 12 зонах влияния геологических нарушений.

В зоне ПГД значения коэффициента относительных напряжений увеличиваются по сравнению с фоном от 1,4 до 2,9 раз (в среднем — 2,18), зоны геологических нарушений фиксируются повышенными значениями коэффициента относительных напряжений (в среднем — 2,81) и существенно превышающими пороговый уровень коэффициентами прогноза геологических нарушений. Максимальные значения прогностических параметров не достигают пороговых значений, свидетельствующих об опасности горного удара. Отсутствие динамических явлений на исследованных участках и участков угольного пласта категории «опасно» согласуются с полученными результатами при применении системы СА КСМ и акустического зондирования.

При работе системы СА КСМ в зонах аномально высоких напряжений могут произойти выбросы угля и газа, если природная газоносность угольного пласта более 15 м³/т, или горные удары при более низкой газоносности угольного пласта и его склонности к хрупкому разрушению.

В качестве примера отражения геологических нарушений в значениях прогностических параметров акустического сигнала на рисунке 2 приведена динамика коэффициента прогнозирования геологических нарушений Рg и коэффициента относительных напряжений Ко.н. при пересечении очистным забоем в районе конвейерной печи 25-94 разрывного нарушения с амплитудой смещения угольного пласта около 2 м. Плоскость сместителя падает в сторону приближающегося очистного забоя. Значения Рg превысили пороговый уровень 7,0 за 9 м до плоскости сместителя нарушения, максимальные значения коэффициента расположены со стороны лежачего крыла нарушения.

Коэффициент относительных напряжений имеет высокие значений при подходе забоя к геологическому нарушению и после его пересечения. Максимальные значения коэффициента также расположены со стороны лежачего крыла нарушения. Минимальные значения коэффициента совпадают с пересечением плоскости сместителя нарушения, что обусловлено ослаблением прочностных свойств горных пород в зоне его влияния.

При подходе и пересечении геологического нарушения горные удары или события, предшествующие горным ударам, отсутствовали, максимальные значения Ко.н. существенно менее порогового уровня, при котором программа обработки акустического сигнала выдает сообщение «Опасная ситуация». Однако в очистном забое из-за проявления повышенного горного давления выемка угля сопровождалась образованием вывалов пород кровли, сдерживающих темпы ведения работ.

Система СА КСМ позволяет прогнозировать внезапные выдавливания угля и прорывы метана из почвы выработок в процессе динамического разрушения пород почвы при надработке газоносного пропластка.

В качестве примера на рисунке 3 приведены результаты прогноза системой СА КСМ в лаве 25-94 вблизи конвейерной печи. Повышенные значения коэффициента прогнозирования внезапных выдавливаний угля зафиксированы на участке технологического отжима угольного пласта.

Динамика коэффициента прогнозирования разрушения пород почвы с интенсивным газовыделением Кm. при приближении забоя конвейерной печи 24 57 к Восточно-Камышанскому взбросу представлена на рисунке 4. Максимальные (0,24) значения коэффициента Кm зафиксированы при приближении забоя на расстояние по нормали 5 м к той части геологического нарушения, которая обладает расслоением горных пород и скоплением газа в их пределах. При приближении очистного забоя лавы 24-57 в 2016 г. к зоне влияния Восточно-Камышанского взброса значения Кm увеличились до 0,32, при том что на удалении от взброса значения этого коэффициента близки к нулю.

Система СА КСМ состоит из аппаратуры передачи акустического сигнала из забоя на поверхность (далее — АРАС ) и персонального компьютера с программным обеспечением акустического контроля состояния массива горных пород (далее — АКМП). Аппаратуру и программное обеспечение изготавливает и поставляет Межотраслевая научно-техническая лаборатория по разработке, изготовлению и внедрению автоматизированных систем МНТЛ РИВАС (г. Москва).

Аппаратура АРАС (см. Рис. 5) состоит из геофона, переговорного устройства и наземного устройства. Геофон устанавливается на расстоянии 10-40 м от забоя горной выработки, он служит для преобразования упругих колебаний массива горных пород в электрический (далее — акустический) сигнал, его преобразование и передачу на поверхность по свободной двухпроводной линии связи. По этой же линии от наземного устройства поступает электропитание геофона. В подготовительной выработке геофон устанавливается в шпуре длиной до 0,7 м или на элементах анкерной крепи при условии жесткого соединения его чувствительной части с массивом горных пород. В очистном забое устанавливается по одному геофону в оконтуривающих горных выработках или на элементах крепи в забое на расстоянии до 40 м от сопряжения с оконтуривающими выработками. Переговорное устройство обеспечивает связь забоя с оператором, обрабатывающим акустические сигналы. Переговорное устройство используется также при ликвидации неисправности линий передачи акустического сигнала и как дополнительная независимая связь с забоем.

Наземное устройство преобразует сигнал до вида, позволяющего ввести его в персональный компьютер, по искробезопасной цепи обеспечивает питание геофона и переговорного устройства, осуществляет контроль качества линии связи и регулировку усиления в геофоне.

Подземные устройства имеют уровень взрывозащиты РО с уровнем искрозащиты Иа. Наземное устройство (НУ) общего назначения с выходными электрическими цепями уровня Иа. Одно наземное устройство рассчитано на обслуживание двух линий связи и подключенных к ним геофонов и переговорных устройств (далее — тракт обработки сигнала). На опасных по ДЯ угольных пластах обработка акустической информации должна быть выполнена в каждом цикле выемки угля с привязкой положения забоя к маркшейдерскому знаку (пикету). Как правило, если отсутствует запуск обработки сигнала от работы комбайна, запуск на обработку сигнала с началом воздействия комбайна на забой и завершение обработки сигнала при окончании цикла выемки угля осуществляет оператор. На угрожаемых по ДЯ угольных пластах запуск и обработку акустического сигнала программа АКМП выполняет без участия оператора по уровню энергии акустического сигнала, возбуждаемого комбайном. При этом привязка результатов обработки (прогноза ДЯ и оценки состояния забоя) осуществляется только по времени начала обработки сигнала.

Прогноз удароопасности и выбросоопасности в каждом цикле обработки осуществляется по 4 параметрам акустического сигнала, при сравнении их с пороговыми значениями, которые определяются на неопасном участке проведения горной выработки или ведения очистных работ. Программа автоматически контролирует величину пороговых значений и при смене геологических условий выполняет их корректировку. Программа также контролирует качество акустического сигнала, фоновый его уровень и состояние линии связи.

Высокий уровень автоматизации программы АКМП позволяет контролировать её работу на нескольких шахтах в одном пункте, снижая количество обслуживающего персонала. Заключение о состоянии массива горных пород и опасности динамических явлений выдается автоматически, что не требует специальной подготовки операторов, занятых на обработке акустических сигналов. Сообщение о безопасном состоянии забоя считается штатным и на печать не выдается. Сообщение об опасном состоянии забоя на печать выдается автоматически с одновременным извещением технических руководителей шахты.

Программа АКМП выполняет также прогноз геологических нарушений впереди движущегося забоя ^[8]. С увеличением глубины разработки решение этой задачи для обеспечения безопасности работающих становится все более актуальным, т. к. подавляющее большинство ДЯ приурочено к зоне влияния геологических нарушений. Прогноз геологических нарушений выполняется по соответствующему параметру. При сообщении программы обработки о приближении к возможному геологическому нарушению необходимо остановить забой и выполнить разведочное бурение. Сообщение о возможном приближении геологического нарушения также автоматически выдаётся на печать.

Помимо прогноза динамических явлений, программа анализирует параметры и выдаёт сообщение об ухудшении ситуации в забое по фактору напряжений, о повышенном горном давлении, способном привести к внезапному обрушению пород кровли или другим негативным его проявлениям.

Программа АКМП непрерывно записывает акустические сигналы, возникающие в призабойной части и сохраняет запись в течение 72 часов. Эта запись используется для контроля технологических процессов, воздействующих на углепородный массив, и может быть использована при расследовании инцидентов и аварий как объективный источник информации о происходящих в забое действиях, соблюдении режима технологических процессов.

Основными преимуществами системы СА КСМ служат:
• высокий уровень не только сбора и обработки акустической информации, но и принятия решения о состоянии массива горных пород, не зависящие от субъективного фактора;
• текущий прогноз всех видов динамических явлений;
• непрерывный контроль массива горных пород в активных забоях, представляющих наибольшую опасность по газодинамическим и динамическим явлениям;
• прогноз геологических нарушений, которые с увеличением глубины отработки угольных месторождений представляют основную опасность по динамическим явлениям;
• регистрация акустических сигналов, дополнительная связь забоя с поверхностью осуществляется независимо от шахтной сети энергоснабжения.

Список литературы
1. Лазаревич Т.И., Мазикин В.П. Малый И.А. и др. Геодинамическое районирование Южного Кузбасса. Монография. Кемерово: «Весть», 2006, 181 с.
2. РД 05-328-99. Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам//Предупреждение газодинамических явлений в угольных шахтах: сб. док. – серия 05. – Вып. 2- 4-е изд., исп. – М.: ЗАО НТЦ ПБ. 2015.
3. РД 05-350-00. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа//Предупреждение газодинамических явлений в угольных шахтах: сб. док. – серия 05. – Вып. 2- 4-е изд., исп. – М.: ЗАО НТЦ ПБ. 2015 – 308 с.
4. Автоматизированная система контроля состояния массива горных пород и прогноза динамических явлений/Копылов К.Н., Смирнов О.В., Кулик А.И., Пальцев А.И.//Безопасность труда в промышленности, № 8, 2015 – С. 32-37.
5. Гликман А.Г. Поля упругих колебаний в горных породах. – Л., 1984. – Деп. в ОЦНТИ ВИЭМС 10.04.85 №188 мг – Деп., 63 с.
6 Акустический контроль выбросоопасности. Брюханов А.М., Агафонов А.В., Рубинский А.А., Колчин Г.И. В кн. Методы и средства прогноза и предотвращения газодинамических явлений в угольных шахтах. Расследование и предотвращение аварий на угольных шахтах. Том 3. — Донецк: Вебер, 2007. – 692 с.
7. Копылов К.Н., Смирнов О.В., Кулик А.И. Испытания автоматизированной системы акустического контроля состояния массива горных пород/ Уголь, 2015, №7 – С. 44-48.
8. Смирнов О.В., Кулик А.И., Лапин Е.А. Прогноз геологических нарушений по параметрам акустического сигнала/Уголь, №11, 2015 – С. 76-79.

Авторы: Смирнов Олег Владимирович – к.т.н., начальник Управления аэрологической безопасности предприятий ОАО «СУ ЭК»;
тел. +7(495)795-25-38 доб. 3644; e mail: SmirnovOV@suek.ru
Кулик Алексей Иванович – главный технолог по ГДЯ Управления аэрологической безопасности предприятий ОАО «СУ ЭК»;
тел. +7(495)795 25 38 доб. 3316; e-mail: KulikAI@suek.ru
Шилов Владимир Иванович – к.т.н., заместитель директора по науке ООО «МНЛТ РИВАС»,
тел. +7(495)9712389; e-mail: mntlrivas@fromru.com
Горбачёв Андрей Сергеевич — инженер ООО «МНТЛ РИВАС»;
тел. +7(495)9712389; e-mail: mntl.rivas@mail.ru