Не попасть под горный удар

Пожалуй, взрыв на шахте «Северная» в Воркуте, забудут нескоро. Из забоя тогда не вернулись 30 шахтёров. Первоначальную версию о причине аварии специалисты сформулировали быстро: имел место горный удар. Позже появилась версия о взрыве метана. Горный удар мог вызвать активное поступление метана в выработку, а наличие метана и его взрыв при аварии, безусловно, повысили последствия горного удара, практически удвоив его энергию.

Жутковатое словосочетание «горный удар» от современных представителей горной отрасли услышать можно часто, однако всё реже звучит информация о том, что это природное явление стало причиной большой беды. Неужели люди всё-таки победили стихию или хотя бы приблизились к этой цели? Как можно предотвратить или спрогнозировать горный удар, и насколько эффективны применяемые методы?

Слава прогрессу

Примечательно, что в современных выработках горные удары случаются существенно реже, чем в добывающей отрасли прошлого.

Вспомнить хотя бы аварию 1958 года на канадской шахте в Спрингхилле. Об этом событии жители узнали не по радио: земля затряслась. В шахте же всё было куда страшнее: удар спровоцировал выделение газа, все очистные забои были разрушены, все горняки, которые в них работали, погибли. Таковых было 74 человека. События 1958 года до сих пор фиксируются как самый сильный горный удар в истории всей североамериканской горной промышленности.

По данным доктора технических наук РАН Валерия Ерёменко, с 1978 по 1993 годы в США зарегистрировано 73 несчастных случая, связанных с горными ударами. А в России с 1970-го по 1994-й ударов и микроударов насчитали аж 380. Сегодня горнодобывающим предприятиям живётся намного спокойнее.

«Насколько мне известно, за последние 20 лет на угольных шахтах Кузбасса не зарегистрировано ни одного горного удара. В 1980-90-х годах горные удары фиксировали чаще.

Возможно, это связано с темпами ведения работ, применяемой техникой и технологией.

И всё же вероятность возникновения горных ударов или же динамических проявлений меньшей энергетики на шахтах Кузбасса точно существует, и этому стоит уделять внимание», — говорит старший научный сотрудник лаборатории борьбы с газодинамическими проявлениями АО «НЦ ВостНИИ» Святослав Сороковых.

В зоне риска

Как уже упоминалось, горные удары — это проблема не только угольщиков. «Прогреметь» может в любой выработке. Эти явления фиксировали и в золотодобывающих районах Канады, ЮАР и Индии, и на серебряно-свинцовых рудниках США, и на железнорудных и бокситовых месторождениях России.

«Можно выделить геолого-экономические районы по вероятности возникновения горных ударов. Например, на шахтах Ленинского района проявления горных ударов зарегистрированы значительно меньше, чем в Томь-Усинском или Кондомском районах. Вероятнее всего, это связано с составом вмещающих горных пород и тектоники», — комментирует «географию» горных ударов Святослав Сороковых.

«Горные удары при проходке горных подземных выработок — явление объективно существующее, поскольку определяется влиянием горного давления, а также связано с имеющимися на месторождении структурными элементами в виде разломов, обширных трещин, сдвигов-надвигов и других нарушений в земной коре, вблизи которых может нарастать напряжение в горном массиве.

Поскольку горное давление нарастает с глубиной, то вероятность горных ударов маловероятна при глубине шахт 200–300 метров, но с увеличением глубины эта вероятность растёт.

С точки зрения типа месторождений, на которых ведутся горные работы, более вероятны горные удары там, где имеются малопрочные, хрупкие и неупругие горные породы», — объясняет заведующий кафедрой «Технологии и техники разведки» СФУ Вячеслав Нескоромных.

Из комментария специалиста ясно, что угольщики, как ни крути, оказываются прямо-таки в эпицентре риска. Это полезное ископаемое, как правило, как раз и залегает в малопрочных породах. Да и сам чёрный алмаз похож на своего углеродного брата своей ценностью, но никак не прочностью.

«Угольные месторождения имеют более высокий уровень опасности, и от того часто на слуху ещё и из-за наличия взрывоопасного газа как сопутствующего образования — как на месторождениях угля, так и на месторождениях нефти.

В данном случае нужно различать горный удар, который может случиться в результате разгрузки напряжений в горном массиве, и обрушение выработки вследствие взрыва газа, поступающего в горную выработку», — продолжает специалист СФУ.

Эксперт объяснил, что первое явление, то есть собственно горный удар, часто возникает из-за того, что равновесие в массиве пород нарушено именно горной выработкой, в которой, как известно, проводят взрывание при проходке. Ведь взрыв — сильное внешнее силовое возмущение, которое сопровождается встряхиванием массива горных пород.

Что же касается взрыва газа, то это явление можно сравнить с аналогичным в домах — с участием бытового газа. Это результат поступления газа в выработку и его скопления с последующим детонированием от любой случайной искры.

Таким образом, на «Северной» два этих сильнейших разрушителя вполне могли объединиться. Выжившие горняки говорят, что сначала шахту сотряс сильный удар, а через несколько мгновений раздался взрыв и потянуло гарью.

Да и чем глубже мы вгрызаемся в земную кору, тем опаснее становится добыча. Святослав Сороковых отметил, «что с увеличением глубины опасность горного удара возрастает из-за увеличения литостатического давления».

К слову: упомянутая шахта в Спрингхилле на тот момент считалась одной из самых глубоких угольных шахт в мире. Наклонный ствол длинной 4 300 м достигал глубины 1 200 м.

В этом смысле странно звучат слова начальника отдела горнорудной промышленности Министерства промышленности, транспорта и энергетики Республики Коми Бориса Шкарина. Говоря о воркутинской трагедии, он отметил, что горный удар — это «естественное природное явление, никак не связанное с деятельностью человека». Но ведь создание горных выработок и их углубление без человеческого участия уж точно не обошлись.

Что причиной, кто виной

Давайте всё-таки расставим все точки над «i»: в чём же причины горного удара и можно ли вести добычу таким образом, чтобы избежать этих явлений?

В том же комментарии Борис Шкарин дал очень простое определение горного удара. По его словам, «это смещение горных пород, возникающее в результате накопления напряжённости горных пород.

Проще говоря, это разгрузка пласта». О таковой возможной причине нам рассказал и Вячеслав Нескоромных.

«Казалось бы, нет внешней причины, нет толчка, но горный удар происходит и развивается со скоростью пули. В этом горный удар сродни механизму и скорости развития трещины в твёрдом теле.

В результате горного удара происходит обрушение горной выработки, а процесс обрушения настолько скоротечен (как взрыв), что в выработке может возникать воздушная волна сродни воздушному потоку при взрыве бомбы. Поэтому последствия горного удара очень обширны и губительны. Кроме разрушения выработки воздушная волна ломает и крушит всё на своем пути.

Следует заметить, что сила воздушной волны многократно возрастает из-за ограниченности объёма пространства горной выработки. При горном ударе разрушению и гибели подвергаются все объекты на достаточно удалённых от эпицентра удара местах», — объяснил учёный.

Разумеется, разрушение инфраструктуры — ничто, по сравнению с человеческими жертвами, однако нельзя не сказать, что горные удары наносят значительный ущерб горным работам. Когда в 1983 году в одной из угольных шахт запада США случился горный удар, он разрушил 40 щитовых крепей длинных очистных забоев и почти полностью вывел из строя вспомогательный штрек действующей очистной панели.

Ну а второй возможной причиной коварного явления наш собеседник назвал внешние воздействия. В этом смысле можно сказать, что горный удар чем-то похож на землетрясение, которое также может быть спровоцировано сторонними явлениями.

Например, взрывали горную породу в шахте — и пошла цепная реакция. Хорошо, что в угольных шахтах проходка исключает использование взрывания, что снижает опасность горного удара.

В своей статье «Природные и техногенные факторы возникновения горных ударов при разработке железнорудных месторождений Западной Сибири» Валерий Ерёменко вообще говорит, что «от 80 до 90 % горных ударов провоцируются взрывными работами во время проведения массовых и технологических взрывов в массиве с предельным состоянием, где значения напряжений приближены или выше предела прочности горных пород».

Найти…

И что же? Реально ли спрогнозировать горный удар и насколько точны могут быть такие прогнозы? Ведь развиваются они мгновенно и не всегда перед происшествием имеются какие-либо заметные внешние приметы.

Вообще-то, можно. Родственники погибших на «Северной» горняков рассказывают, что за 22 дня до трагедии звучал сигнал об угрозе горного удара. Собственно, и про повышенную концентрацию метана информация звучала, но 25 февраля шахтёры всё же отправились в забой.

«Существует разные способы прогнозирования горного удара: инструментальные или геофизические. Все они имеют свои плюсы и минусы. Моё личное мнение таково: спрогнозировать горный удар со 100-процентной вероятностью практически невозможно.

Инструментальные методы более достоверные, но они и более трудоёмки. Выполняется большой объём лишней работы из-за перестраховки.

Разработчики геофизических методов и систем мониторинга теоретически обосновывают возможность прогнозирования горных ударов, на практике такие методы и системы регистрируют сам факт возникновения какого-либо динамического явления, а не прогнозируют его. По крайней мере, мне неизвестно ни одного случая прогнозирования геофизическими системами динамического явления в Кузбассе», — считает Святослав Сороковых.

Ударило по Грузии

В прошлом году вновь был зафиксирован сильный горный удар, ставший причиной обвала на угольной шахте. Авария произошла в Грузии, на шахте имени Миндели, расположенной в грузинском городе Ткибули в Имеретии. По информации следователей, обрушение было вызвано воздушной массой, возникшей в результате горного удара. Он унёс жизни шестерых горняков.

Представители отрасли, однако, стараются. Например, на Черемуховской-Глубокой шахте Североуральского бокситового рудника РУСАЛа используют, как заявляют представители компании, инновационную методику. Данная шахта является самой глубокой в стране и одной из самых глубоких в мире: ствол уходит вниз более чем на полтора километра. Более, чем на километр под землю каждый день спускаются две сотни шахтёров. Работники РУСАЛа не скрывают: чем больше глубина, тем больше опасность. Поэтому лучше перестраховаться. Здесь используют акустическую эмиссию прибором «Сапфир». На его регистраторе оперативно высвечивается число импульсов, которое произошло. Экспресс-анализ, и руководство принимает решение: если забой опасен, людей — выводим.

А некоторое время назад учёные УГГУ и МГУ сообщили, что им удалось разработать эффективную систему мониторинга сейсмических волн. 100-процентной точности прогнозов горных ударов честные разработчики не гарантировали, а вот 70 % — пожалуйста. Система уже работает на нескольких шахтах — на печально прославившейся «Распадской» в том числе. Учёные сожалеют, что разработки там не было раньше — а то, глядишь, история и по-другому бы сложилась.

Как объяснили авторы, созданная система — своеобразный сейсмический радар. Информация о напряжённо-деформированном состоянии горного массива непрерывно поступает в диспетчерский пункт шахты и центр горного мониторинга, где работают учёные. По принципу светофора территория раскрашивается — так обозначаются опасные и безопасные участки. Специалисты оценивают: ага, вот здесь может произойти обрушение, случится это примерно в такое-то время. Даже если это просто подозрения, информацию передают — не менее, чем за сутки.

… и обезвредить

«Спрогнозировать горный удар можно. Но задача специалистов состоит в том, чтобы понимать при каких условиях вероятность горного удара становится критической и не допустить такого развития событий, при котором горный удар становится возможным», — объясняет Вячеслав Нескоромных.

Эксперт отмечает, что на современных шахтах ведётся серьёзная работа по предотвращению горных ударов.

Вероятно, именно поэтому сегодня мы фиксируем эти явления существенно реже.

В целом, такие работы — это варианты, как подстелить соломки. Горный массив тщательно изучают, выявляя, где находятся точки напряжения. Они могут быть связаны с разломами, крупными трещинами, одним словом, тектоническими структурными объектами.

Далее — моделирование: а как на этом напряжённому участке скажется прокладка ствола, штреков, уклонов. Здесь необходимо учитывать множество факторов, имеют значение даже очерёдность проходки выработок.

Ключевой принцип такой: ослаблять массив горными выработками нельзя. Напротив, его необходимо укреплять — с помощью крепи. Здесь железобетонные плиты-щиты, металлические щиты, защитные экраны, всевозможные гидравлические распорки.

К слову

Шахтеры, пережившие горный удар, довольно похоже описывают это явление. Говорят о сильнейшем ударе, «я как будто сидел в бочке, по которой ударили кувалдой».

О мощной силе, которая отбрасывала их, «как будто боксёры-тяжеловесы избивают меня, я пытаюсь сопротивляться, но оказываюсь на земле». Описывают сильнейшее пылевое облако – так, что пропадала видимость. Кто-то рассказывает о нескольких последовательных несильных ударах, за которыми последовал один мощный. Горняки вспоминают, как сложно становилось передвигаться по выработке: о разрушениях, кусках породы и бетона.

А ещё рассказывают о выделении газа – метана, а ведь он не имеет ни цвета, ни запаха, поэтому без датчиков сложно понять, опасна ли концентрация. И, конечно же, все очевидцы упоминают, насколько страшно оказаться под землёй, когда эта земля дрожит под ногами.

«Для предотвращения горных ударов используются в обязательном порядке научные ресурсы горнодобывающей отрасли и университетов. В данном случае моделируются горные массивы, определяются наиболее опасные узлы и точки нагрузок и все работы при строительстве шахт проектируется с учётом имеющихся данных, преследуя цель проводки горных выработок без создания условий приводящих к горному удару», — говорит Вячеслав Нескоромных.

Если обнаружен участок повышенной опасности, то здесь могут работать мобильные средства крепления, щиты. В момент буровзрывных работ они должны обеспечить устойчивость кровли и выработки.

«В этом случае если и случится подвижка и смещение горных пород в массиве где-то рядом с выработкой, какого-либо обрушения не произойдет и последствия горного удара будут минимальны», — объясняет специалист СФУ.

С другой стороны, предпринимаются меры для снижения напряжения пласта: бурятся разгрузочные скважины.

«При правильном расчёте и соблюдение параметров эта мера являются эффективной», — считает Святослав Сороковых.

Эту технологию используют в уже упомянутой Черёмуховской-Глубокой. Для предотвращения обрушения выработок их также укрепляют бетоном и металлическими кольцами — сейсмостойкой арочной крепью.

Когда в Новокузнецке на шахте «Есаульская» открывали новую лаву (отработка здесь ведётся на глубине 450 м, то есть опасность горного удара велика), одной из первых мер по обеспечению безопасности стало бурение разгрузочных скважин в границах выемочного блока.

Текст: Анна Кучумова