Крепь. Титаны держат небо

Обрушение горной выработки всё реже называется в качестве причины аварии на шахте. Явления такие возникают, но это, как правило, уже последствия: случается взрыв, а потом уже начинаются разрушения.

К счастью, и взрывы гремят всё реже. Однако иногда приходят напоминания о том, что работа под землёй в любом случае небезопасна. Три года назад на шахте «Юбилейная» в Кемеровской области обрушилась порода.

Уровень метана, как отмечали в МЧС, был в норме, однако 7 метров выработки оказались под завалом. Спустя несколько дней тела двух горняков подняли на поверхность.

«Проблема обрушения породы в горных выработках существует с давних времён, когда человек начал использовать подземный способ добычи полезных ископаемых.

Остаётся она актуальной и в наше время, причём характерна как при разработке пластовых месторождений, так и при отработке рудных тел», — говорит технический директор и соучредитель компании ООО «СибНьюТэк» Марк Арль.

Пожалуй, одна из самых масштабных катастроф, связанных с обрушением горной выработки, произошла в Африке в 1960 году. Из 438 горняков, находящихся в шахте «Коулбрук» в зоне катастрофы, выжил только один. История, надо сказать, показательная.

За год до катастрофы владельцы шахты, недовольные добытыми объёмами угля, решили начать проходку старых выработок. Опытные работы вроде бы проходили удачно, однако в примыкавших участках тоже шла добыча. То есть несущая способность пласта ослаблялась.

Дело закончилось тем, что опытный полигон обрушился — работы здесь навсегда прекратились. В момент обрушения рабочих в шахте не было. Смену, которая работала тут раньше, опросили, никаких предвестников опасности не выявили, в результате инцидент решили сохранить в тайне.

В дальнейшем были и другие сигналы приближающегося обрушения, однако их все проигнорировали. Через 24 дня после первой «бескровной» аварии случилась та самая большая катастрофа: опорные целики посыпались, как домино, и вся восточная часть поля оказалась под завалом.

«Проблема обрушения горных выработок при подземных разработках месторождения полезных ископаемых актуальна всегда. Устойчивость горных выработок определяется горно-геологическими свойствами пород, горнотехническими условиями, принятыми техническими решениями по поддержанию горных выработок и качеством производства работ.

В значительной степени обрушение горных выработок можно предотвратить налаженным контролем за состоянием горных выработок геомеханическими службами шахт и своевременным и качественным креплением деформируемых в породах выработок», — уверен директор ООО «Горные системы и технологии»
Никита Орлов.

Горизонтальный и вертикальные

Обрушение наименее вероятно в вертикальных выработках — это обусловлено законами физики.

«Ось вертикальных стволов совпадает с вектором направления горного давления. Таким образом, вертикальный ствол испытывает только тангенциальное давление, которое значительно меньше вертикального, и его крепь оказывается менее нагруженной. За исключением случаев, когда ствол попадает в зону каких-либо глобальных деформаций.

Кроме того, расстрелы армировки вертикального ствола выполняют роль распоров, которые воспринимают тангенциальное горное давление и уменьшают деформации крепи.

Крепь вертикальных горных стволов работает в более благоприятных условиях — в условиях всестороннего равномерного сжатия», — объясняет Никита Орлов.

«Основная причина обрушений в вертикальных стволах — это несоответствие типа крепи или её параметров существующим и изменяющимся горно-геологическим и горнотехническим условиям.

Так, при проектировании могут не учитываться тектонические нарушения, наличие повышенной обводнённости, недостаточная устойчивость вмещающего массива. В процессе эксплуатации может возникнуть непрогнозируемое воздействие на капитальную выработку очистных работ или других залегающих рядом горных выработок», — уточняет г-н Арль.

Что же касается вертикальных стволов и наклонных выработок, то такие конструкции испытывают вертикальные нагрузки, стало быть, крепь загружается максимально и работает в более сложных условиях.

К возможным причинам обрушения в наклонных стволах добавляются влияние сближенных пластов и целиков отработанных пластов, оставленных для поддержания выработок.

Сегодня вертикальные выработки в России не такое уж частое явление. Как правило, это шахты, строительство которых велось несколько десятилетий назад. Новые объекты обычно имеют альтернативную архитектуру — в этом случае процесс строительства шахты обходится существенно дешевле. Поэтому технологии предотвращения обрушения приобретают дополнительную актуальность.

На старте

«Мероприятия по предотвращению обрушений должны проводиться, начинаясь с проектирования и продолжаясь на всех этапах подготовки и эксплуатации месторождения», — подчёркивает Марк Арль.

Что ж, будем последовательны.

«Несомненно, что безопасность эксплуатации шахты начинается с момента принятия проектных решений на её строительство, вскрытие, подготовку и разработку выемочных участков. Проектные решения — это основа основ, обеспечивающих безопасное ведение подземных горных работ», — уверен Никита Орлов.

Важнейшая информация при проектировании шахты — это, конечно, результаты геологических исследований рудного поля. Без этих данных невозможно грамотно выбрать тип крепления горной выработки, методы отработки угольных пластов и способов управления горным давлением.

Люди уже много десятилетий работают под землёй, поэтому и причины обрушения породы, и технологии предотвращения этой беды уже давно изучены. Г-н Орлов, говоря о ключевых превентивных мерах, называет комплекс мероприятий по снижению доступа кислорода в угольный пласт, потому как именно этот газ способствует окислению пласта, нагреванию и снижению несущей способности целиков.

«При анкерном креплении горных выработок их борта и кровлю следует обрабатывать составами, снижающими доступ кислорода в угольный пласт.

Из множества составов для обработки угольного пласта мы бы рекомендовали торкретбетон ShotRock, который не только предотвращает доступ кислорода угольный пласт, но и в процессе торкретирования струя торкретбетона c особым составом компонентов со скоростью выше 100 км/ч наносится на контур горной выработки и глубоко проникает в трещину угольного пласта и породы.

Это обеспечивает создание бетонно-угольной или бетонно-породной крепи по контуру горной выработки. В ЗПГД или в зонах геологических нарушений торкретбетон может наноситься слоем до 100–150 мм за один проход как на предварительно армированную, так и на неармированную поверхность горных пород», — делится опытом директор ООО «Горные системы и технологии».

Отличное решение — монолитные бетонные и железобетонные крепи, правда, технология эта не из дешёвых, поэтому её обычно применяют в выработках с большим сроком службы. Но даже если начнётся деформация такой крепи или образуются трещины, то эффективная технология ремонта — это нанесение дополнительного слоя торкретбетона или просто торкретирование трещин.

Если это арочное крепление, то специалисты рекомендуют применять тампонирование закрепного пространства. В этом случае тампонажный состав равномерно распределит нагрузку на арки крепи и обеспечит их эффективную работу.

Арки крепи будут работать при проектной ширине выработки, а не в условиях свода обрушения, расширившегося после деформации горных пород до затяжки крепи выработок. При этом опять же удастся изолировать угольный пласт от доступа кислорода.

«Когда необходимо улучшить несущую способность, я бы рекомендовал следующие технологии. Если это решётчатая затяжка — торкретирование горных выработок с выполнением забивки торкретом открытых трещин горных пород. Это изолирует угольный пласт и создаст по контуру выработки бетонно-породную крепь повышенное несущей способности.

При железобетонной затяжке следует в первую очередь вставить патрубки для тампоножа закрепного пространства, затем заторкретировать стыки затяжки между собой и с рамами крепи. После этого провести тампонирование закрепного пространства для формирования бетонно-породной и улучшения условий нагружения рам крепи», — советует Никита Орлов.

Контролировать ситуацию

Допустим, изначально все меры предприняты. Но шахта работает долгие годы, и угроза обрушения породы сохраняется.

«В процессе эксплуатации горных выработок (независимо, вертикальных или наклонных, капитальных или подготовительных) обязательно должен осуществляться мониторинг состояния их кровли, почвы и боков с применением современных геофизических методов исследований», — настаивает Марк Арль.

Есть известные признаки грядущих разрушений и не менее известные способы работ в таких условиях. Так, если специалисты фиксируют обильный водоприток, необходимы работы по тампонажу. Наличие повышенной трещиноватости горных пород предотвращается принудительным упрочнением массива — путём нагнетания в него специальных смол.

«При проведении очистных работ выбор способа отработки должен соответствовать горно-геологической и горнотехнической ситуации, сложившейся именно на данном участке — конструкция и параметры механизированной крепи должны выбираться с использованием коэффициента «запаса надёжности», а выбор способа управления посадкой кровли не должен приводить к «задавливанию» крепи в результате воздействия труднообрушающейся кровли.

Негативное воздействие сближенных пластов и окружающих выработок должно сопровождаться мероприятиями по разгрузке окружающих пород, а также усилением существующей крепи», — объясняет г-н Арль.

«При правильном мониторинге состояния горных выработок видно, где развиваются деформации горных пород, которые могут привести эти к обрушению.

Но, к сожалению, бывают случаи, что обрушение происходит непредсказуемо. В первом случае следует предотвращать нахождение людей в опасных зонах до приведения их в безопасное состояние.

А во втором случае это очевидные риски, и они должны анализироваться и по результатам анализа совершенствоваться паспорта крепление горных выработок и контролироваться качество производства работ по креплению горных выработок», — говорит Никита Орлов.

Человек под землёй

То есть эффективные технологии существуют. Тогда почему же обрушения всё-таки происходят? Хоть и редко, но прецеденты случаются.

Г-н Орлов упоминал о ситуации, когда обрушение происходит непредсказуемо. Говоря о возможных причинах такого явления, специалисты в первую очередь называют природные факторы. Это повышенное горное давление, связанное с увеличением глубины подземных работ, низкая устойчивость вмещающих пород, высокая трещиноватость массива и т. д.

Дополнительными отягощающими факторами являются внезапные выбросы угля, породы и газа, взрывы газовоздушной смеси, резкое увеличение горного давления, вызванное посадкой лавы, и другие.

Однако, как и в любой другой отрасли, имеют место банальные человеческие ошибки.

«К сожалению, значительное число аварий, связанных с обрушением, происходит благодаря человеческому фактору: это и неправильный выбор способа крепления выработок (несоответствие выбранного способа крепления существующим горно-геологическим и горнотехническим условиям), и ошибки в расчёте паспорта крепления, и нарушения, допущенные при установке крепи, и применение бракованных элементов крепи», — отмечает Марк Арль.

По мнению специалиста, ключевой фактор — это всё же не взрывы и горное давление, а соблюдение персоналом горных предприятий правил безопасности не только при проведении работ, но даже просто при посещении шахты.

«Недопустимо нарушение паспорта ведения горных работ, игнорирование негативных результатов мониторинга состояния горных выработок и вмещающего массива. Повреждения крепи, произошедшие в процессе эксплуатации горных выработок, должны устраняться в кратчайшие сроки. При нахождении в шахте работники должны обращать внимание на второстепенные факторы, которые могут указывать на возможность обрушения горных пород», — подчёркивает технический директор компании ООО «СибНьюТэк».

Вот и при обрушении на «Юбилейной» Ростехнадзор назвал главными причинами не природные, а организационные факторы.

Специалисты отметили, что ранние признаки проявления горного давления в шахте сотрудники не зафиксировали, необходимую информацию на землю не передали, плюс были нарушения по промбезопасности. Ну и анкерная крепь не соответствовала горно-геологическим требованиям. То есть случилось именно то, о чём предостерегают наши эксперты.

Когда грянул гром

Горноспасательные работы на кузбасской шахте, как и всегда в таких случаях, шли очень непросто. Метр за метром МЧС продвигались к завалам: необходимо было укрепить кровлю горной выработки, которая вела к завалу. А это 40 м. Работы шли круглосуточно. И всё равно спасатели опоздали.

«Главное при проведении спасательных работ — обеспечить безопасность их выполнения. В случае ликвидации аварий, связанных с обрушением горных пород, всегда необходимо привести их в связанное состояние, заполнить пустоты, образовавшиеся в результате обрушения, во избежание последующего развития аварий — то есть создать безопасные условия для производства работ», — объясняет Никита Орлов.

Где тонко, там и рвётся. Обрушения обычно происходят там, где не учтены какие-то локальные осложнения — в целом современные системы прочно держат выработку.

Но в месте каждого нарушения, в его краевых частях возникают зоны повышенного горного давления, крепь испытывает повышенные нагрузки и может возникнуть эффект домино.

Эксперты успокаивают: современная технология ведения подготовительных и очистных работ, как правило, такого не допускает.

Да и вообще, мы не в Африке 1960-го, контроль за работой подземных выработок повышенный. Да и решения, способные предотвратить аварию, становятся более совершенными.
В общем, идём верной дорогой.

ЭКСПЕРТ

«Причиной обрушения выработки является нарушение работы системы «крепь — вмещающие породы». Это происходит в случае, когда горное давление превышает несущую способность крепи.

Причин тому много.

Это и перераспределение горного давления во времени под действием зон повышенного горного давления, изменение напряжённо-деформированного состояния горных пород в окрестностях выработки и от очистных работ.

Что приводит к запредельным деформациям горных пород, их трещинообразованию и потере монолитности и устойчивости.

В этом случае, как правило, расширяется свод обрушения, крепь обыгрывается обрушающимися породами и происходит авария».

ЭКСПЕРТ

«Опыт горноспасательных работ, проводимых после подобных аварий, показывает всю сложность данных операций.

Приходится вручную разбирать завалы и производить повторное крепление горных выработок усиленной крепью. Продолжительность таких работ может занимать несколько дней, а то и месяцев.

Следует признать, что почти всегда обрушения пород приводят к травматизму, а иногда и к гибели людей.

Оказавшиеся за завалом живые люди, а также горноспасатели, ведущие восстановительные работы, подвергаются дополнительной опасности, связанной с возможностью возникновения внезапных выбросов угля и газа, загазованностью выработок из-за прекращения или нарушения их проветривания, вероятностью возникновения короткого замыкания и пожара из-за повреждения электрических кабелей, повторных обрушений пород, вызванных повреждением крепления выработок».

Текст: Анна Кучумова