Комплексный подход к созданию системы мониторинга состояния массива горных пород и угля на угольных шахтах Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

В. В. Славолюбов [email protected]

С. В. Сороковых sorokovihslava@ mail.ru

УДК 614.841.12:614.838

КОМПЛЕКСНЫЙ ПОДХОД К СОЗДАНИЮ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД И УГЛЯ НА УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ AN INTEGRATED APPROACH TO CREATION OF THE ROCK MASS AND COAL STATE MONITORING SYSTEM IN COAL MINES

П. В. Потапов - канд. техн. наук, заведующий P. V. Potapov - candidate of technical sciences,

лабораторией АО «НЦ ВостНИИ» JSC «ScC VostNII» laboratory head, Kemerovo, Russia

A. И. Кравченко - канд. техн. наук, ведущий A. I. Kravchenko - candidate of technical научный сотрудник лаборатории АО «НЦ ВостНИИ» sciences, JSC «ScC VostNII» laboratory leading

B. В. Славолюбов - канд. техн. наук, веду- researcher, Kemerovo, Russia

щий научный сотрудник лаборатории АО «НЦ Вост- V. V. Slavoliubov - candidate of technical

НИИ» sciences, JSC «ScC VostNII» laboratory leading

C. В. Сороковых - старший научный сотруд- researcher, Kemerovo, Russia

ник лаборатории АО «НЦ ВостНИИ» S. V. Sorokovykh - JSC «ScC VostNII»

laboratory senior researcher, Kemerovo, Russia

В работе выполнен анализ основных факторов, влияющих на создание системы мониторинга состояния массива горных пород и угля на угольных шахтах. Предложено создание комплекса включающего систему мониторинга состояния массива горных пород и систему аэрогазового контроля (АГК). В состав системы мониторинга входит поверхностная и подземная части, включающие в себя контрольную аппаратуру и многофункциональный программный комплекс.

На начальном этапе созданная на шахте система мониторинга состояния массива горных пород в комплексе с системой АГК и обработка полученных данных подготовленными специалистами позволят дополнить текущий прогноз, выполняемый инструментальным методом, что повысит оперативность управления производством и безопасность ведения горных работ. Поверхностная часть системы мониторинга позволит в целом оценить геодинамику угледобывающего предприятия и осуществлять контроль потенциально опасных движений горного массива, который может привести к динамическим проявлениям в шахтах.

The paper analyzed the main factors that influence the rock mass and coal state monitoring system creation at coal mines. A complex creation including the rock mass state monitoring system and the system of air and gas control (AGK) is proposed. The monitoring system content includes surface and underground parts consisting of control instruments and multifunctional software package.

Initially created by the mine monitoring system for rock mass state in conjunction with the AGK system and the obtained data processing by trained personal will complement the current forecast performed by an instrumental method that will improve the efficiency of production management and safety of mining operations. The surface part of the monitoring system will generally assess the geodynamics of the coal-mining enterprise and control of potentially dangerous shiftings of the rock mass, which can lead to dynamic manifestations in the mines.

Ключевые слова: МОНИТОРИНГ, МАССИВ, ГЕОМЕХАНИКА, ГЕОДИНАМИКА, СИСТЕМА, БЕЗОПАСНОСТЬ, КОНТРОЛЬ, ПРОГНОЗ

Key words: MONITORING, MASSIF, GEOMECHANICS, GEODYNAMICS, SYSTEMS, SAFETY, CONTROL, FORECAST

Федеральным законом от навливаются требования по обеспечению

21.07.1997 N 116-ФЗ «О про- предотвращения возможных аварий, в том

мышленной безопасности числе связанных с состоянием горных по-

опасных производственных род и угольного массива. Для выполнения

объектов» и действующими федераль- функций постоянного мониторинга состоя-

ными нормами и правилами в области ния горных пород в части прогноза возник-

промышленной безопасности «Правила новения нештатных ситуаций должна быть

безопасности в угольных шахтах» уста- создана постоянно действующая система

геомеханического мониторинга безопасного ведения горных работ, которая позволит непрерывно отслеживать состояние слагающей толщи горных пород и своевременно принять меры по стабилизации и снижению напряженного состояния массива.

Система геомеханического мониторинга должна включать специалистов, прошедших специальную подготовку по работе с аппаратурой прогноза и мониторинга событий; приборами, комплексами, средствами передачи и обработки информации и программным обеспечением, предназначенным для шахтных условий. Для установления и предотвращения опасных геомеханических явлений вся получаемая информация должна непрерывно анализироваться компетентными и профессионально обученными специалистами, выполняющими прогнозирование процессов, происходящих в массиве горных пород. Для повышения качества прогноза будет использоваться накапливаемая информация о произошедших геомеханических процессах, характерных для условий контролируемой шахты.

Данные, получаемые в результате непрерывного мониторинга состояния массива, служат для прогноза развития процесса сдвижения и принятия технических решений по безопасной и эффективной выемке угля. К таким решениям относятся вопросы охраны труда и безопасной эксплуатации поверхностных объектов, управления процессом сдвижения горных пород и обеспечения требований промышленной безопасности.

В настоящее время в п. 22 [1] в части состояния массива горных пород приведены следующие требования. «В горных выработках шахты, надшахтных зданиях и сооружениях должен быть оборудован комплекс систем и средств, обеспечивающий организацию и осуществление безопасности ведения горных работ, контроль и управление технологическими и производственными процессами в нормальных и аварийных условиях. Системы и средства данного комплекса должны быть объединены в многофункциональную систему безопасности (МФСБ)».

Состав МФСБ предусматривает контроль и прогноз газодинамических явлений, состоящий из системы геофизических и сейсмических наблюдений и системы регионального и локального прогноза газодинамических явлений. Основанием для внесения изменений в правила безопасности послужило понимание необходимости осуществления контроля состояния массива с последующим прогнозом последствий на уровень безопасности ведения работ.

При высоких скоростях подвигания очистных и подготовительных забоев все геомеханические процессы, происходящие в массиве горных пород, связанные с проявлениями горного давления, деформациями, разрушениями, газовыделениями приобретают интенсивный, изменяющийся во времени (динамичный) характер. Поэтому повышается риск возникновения газодинамических и геодинамических проявлений -внезапные выбросы угля, породы и газа, горные удары, разломы почвы с выбросом газа, деформации крепления горных выработок в шахте и сотрясение поверхности земли на расстояниях, превышающих размеры горного отвода.

Проведение текущего прогноза удароо-пасности и выбросоопасности инструментальными методами в силу малой мобильности и дискретности оказывает сдерживающее влияние на проведение производственных процессов. Это отрицательно сказывается на оперативности управления производством и безопасности ведения горных работ. Поэтому применение непрерывного дистанционного мониторинга состояния массива горных пород и угольной толщи, проведение постоянного текущего прогноза выбросоопасности и напряженного состояния массива горных пород отвечает требованиям производства в части высокопроизводительной добычи и увеличения скорости проведения подготовительных выработок. Автоматизированный прогноз с применением аппаратуры контроля метана аэрогазового контроля (АГК), метод прогноза аппаратурой по амплитудно-частотным характеристикам, метод текущего контроля выбросоопасности по акустической эмиссии пласта позволят в непрерывном режиме осуществлять контроль и прогноз состояния массива горных пород в соответствии с требованиями правил безопасности в угольных шахтах.

Сейсмический мониторинг позволяет количественно оценить геодинамику угледобывающего предприятия и представляет собой способ контроля потенциально опасных движений горного массива, который может привести к динамическим проявлениям в шахтах.

Мониторинг позволяет разработать решение следующих задач по оценке сейсмической опасности и анализа устойчивости массива горных пород:

- наблюдение пространственных и временных изменений;

- контроль изменений сейсмоактивности шахтного поля;

- своевременное обнаружение потенциально опасного изменения массива;

- выполнение прогноза состояния массива;

- планирование горных работ в соответствии с прогнозом состояния массива горных пород;

В процессе ведения горных работ с появлением техногенной нарушенности в массиве происходит перераспределение напряженного состояния, естественная дегазация массива угля и вмещающей толщи, изменяются гидродинамические режимы подземных вод и, соответственно, изменяются свойства и состояние горного массива. Безопасность ведения горных работ зависит, в частности, от своевременного прогноза опасных напряжений слагающей толщи пород, что позволяет еще на этапе проектирования изменить параметры систем разработки. Геомеханический прогноз по данным автоматизированной системы контроля горного давления позволяет выявить в пределах шахтного поля локальные зоны напряженного состояния массива горных пород. Для этого на предприятии должна быть создана служба мониторинга состояния массива горных пород, которая подчиняется техническому руководителю предприятия и находится под непосредственным руководством участка АБ (ВТБ).

По области контроля мониторинг можно разделить на общешахтный и локальный, который в общем смысле должен выполнять следующие функции:

- регистрацию количества сейсмических явлений, время возникновения, определение координат сейсмических явлений и величину сейсмической энергии;

- разработку критериев на основе информации геодинамического мониторинга определения и выявления потенциально ударо- и вы-бросоопасных зон;

- составление карт сейсмической активности, совмещенных с планом горных работ (карты прогноза потенциальной ударо- и выбросоопас-ности участков шахтного поля).

Ведение горных работ неизбежно приводит к увеличению размеров (объемов) выработанного пространства. Это в свою очередь изменяет напряжённое состояние горных пород в пределах шахтных полей, что сопровождается изменением значений сейсмической активности и миграцией зон повышенного напряжения в массиве.

Определенный опыт проведения мониторинга состояния массива горных пород наработан в шахтах ОАО «Воркутауголь». Установлено, что сейсмический мониторинг позволяет коли-

чественно оценить геодинамику промышленного района и представляет собой материально-техническое обеспечение для решения задач предотвращения, контроля и предупреждения потенциальных состояний горного массива. Плановый мониторинг сейсмического отклика массива позволяет разработать решение задач по оценке сейсмической опасности и анализа устойчивости массива горных пород.

ОАО «НЦ ВостНИИ» в 2002 году разработало Руководство по выполнению спектрально-акустического контроля (прогноза) выбросоопасности на шахтах Кузбасса. «Руководство...» составлено на основе выполненных Кемеровским государственным университетом, Кузбасским государственным техническим университетом и Научным центром ВостНИИ по безопасности работ в угольной промышленности исследований и промышленных испытаний спектрально-акустического метода прогноза вы-бросоопасности на шахтах Кузбасса.

Для повышения надежности текущего прогноза выбросоопасности, в соответствии с настоящим руководством, в дополнение к нормативному методу текущего прогноза по начальной скорости газовыделения при бурении контрольных шпуров, регламентированному «Инструкцией...» РД 05-350-00, применяется спектрально-акустический метод прогноза вы-бросоопасности, контролирующий напряженное состояние призабойного пространства.

В «Руководстве.» нашли решение следующие практические задачи:

- организация пункта прогноза;

- порядок применения спектрально-акустического прогноза выбросоопасности;

- алгоритм комплексного метода прогноза выбросоопасности;

- порядок действий должностных лиц, сопровождающих аппаратуру прогноза в работе.

В ближайшей перспективе следует предусмотреть создание аппаратурно-программного комплекса регистрации акустического поля и обработки сигнала для дальнейшей его интерпретации, что может быть сделано на основе разработанной ООО СибГео (г. Новосибирск.) высокочастотной сейсмостанции РОСА-Авч. Ниже приведены основные технические характеристики станции.

• Количество каналов регистрации - 8;

• Количество каналов синхронизации возбуждения - 1;

• Максимальный объем накопителя SD (SDHC) - 32 Gb;

• Выходная разрядность регистрирующего ка-

нала - 16 бит;

• Диапазон регистрируемых частот - 0-512 кГц;

• Возможность передачи данных по каналу TCP/IP - есть.

В процессе подготовки шахтного поля должна производиться геофизическая разведка геологической нарушенности угольных пластов. Существование многофункциональных систем аэрогазового контроля на действующих шахтах позволяет объединить и централизовать системы мониторинга АГК с мониторингом состояния массива горных пород. Многофункциональная информационно-управляющая система обеспечивает реализацию следующих функций:

- предотвращение условий возникновения различных видов опасности геодинамического, аэрологического и техногенного характера;

- оперативный контроль соблюдения технологических и производственных процессов и применение систем противоаварийного управления и защиты людей, оборудования и сооружений;

- уменьшение ущерба от реализованной в виде аварии опасности за счёт средств и систем, обеспечивающих предотвращение развития аварии, распространения и снижения степени влияния опасных факторов.

Объектами контроля и управления, оценки и прогноза является рудничная атмосфера, аэрологические параметры и геодинамическое состояние массива горных пород, угольного массива, горных выработок, технологическое оборудование, персонал угольной шахты, системы и средства, обеспечивающие безопасность. Однако не следует забывать о том, что для полноценного функционирования системы прогноза состояния массива горных пород необходимо на каждой шахте создать стройную систему, состоящую из многофункционального программного комплекса, контрольной аппаратуры и, самое важное, обученных и специально подготовленных для этого специалистов. Требуется также установить на уровне компаний в приказном порядке систему ответственности за выполнение прогнозных и контрольных функций, обслуживания и поверки аппаратуры, архивирования и обработки получаемых данных.

Для организации контроля состояния массива горных пород наиболее оптимальным решением по размещению аппаратуры контроля является создание параллельно работающих систем, находящихся на поверхности и непосредственно в шахте. Система мониторинга, получающая информацию с поверхности, будет иметь статус общешахтной и предназначаться для

контроля всех происходящих в массиве процессов, связанных как с действующими очистными забоями, так и ранее отработанными выемочными участками. Датчики поверхностной системы предполагается расположить в скважинах, пробуренных с поверхности до коренных пород на глубину не менее 100 м. Вызвано это необходимостью снижения влияния посторонних сейсмических и акустических явлений, происходящих от источников, расположенных непосредственно на поверхности. К ним можно отнести движение автомобильного транспорта, в первую очередь большегрузного, железнодорожного транспорта, сотрясение массива работающими в непосредственной близости другими горнодобывающими предприятиями, отгрузку угля, погрузку материалов, работу техкомплекса и т.д. Таким образом, будет снижено влияние посторонних малозначащих шумов и сейсмических явлений. Датчики подземной части будут регистрировать сейсмо-акустический сигнал, искусственно создаваемый горно-шахтным оборудованием, в первую очередь очистным и проходческим комбайнами. После обработки сигнала аппаратура будет в автоматическом режиме выдавать информацию о состоянии массива горных пород в районе действия очистного или проходческого комбайна. Такие подходы успешно используются, в частности, в Донецком угольном бассейне.

Система общешахтного мониторинга должна обеспечивать контроль за изменением состояния массива горных пород в пределах горного отвода шахты в действующих и отработанных выемочных участках в условиях надработки и подработки. Система должна включать центральный пункт приема оперативной обработки информации, расположенный на поверхности, сейсмоприемники, расположенные в краевых частях шахтного поля в соответствии с проектом отработки, в котором имеется раздел мониторинга состояния массива горных пород.

Согласно приложению 6 [3] прогноз основан на непрерывном приеме с помощью распределенной сети датчиков (пунктов наблюдений) сейсмических сигналов и их анализе на центральном пункте (сейсмостанции).

Региональный прогноз осуществляют в соответствии с указанием Минтопэнерго России от 06.02.1998 N СК-17, в котором указано, что отраслевые структуры ТЭК обязаны руководствоваться нормативно-методическим документом "Руководство по геодинамическим наблюдениям и исследованиям для объектов топливно-энергетического комплекса" на всех стадиях проектирования и эксплуатации объектов ТЭК.

Сейсмостанция выполняет круглосуточный прием сейсмических сигналов, определение времени, координат и энергии сейсмических событий. По результатам наблюдений сейсмостан-ция предоставляет перечень событий за сутки и результаты расчета текущего положения зон опасного влияния на состояние массива событий.

Для организации мониторинга в краевые точки в пределах проекции горного отвода до коренных пород бурятся скважины, в которые устанавливаются сейсмоприемники в соответствии с требованиями инструкции по эксплуатации прибора. Установленные в скважины сейсмоприемники для организации поверхностного мониторинга должны быть объединены в единую систему для получения общей непрерывной информации, обработка которой производится специальным программным обеспечением.

Подземная часть системы мониторинга геодинамического состояния массива состоит из сейсмоприемников, находящихся в скважинах в угольном массиве со стороны очистного или проходческого забоя.

Прогноз геодинамического состояния горных пород в выемочных участках должен осуществляться при проведении горных работ ниже границы ударо- и выбросоопасности. Мониторинг состояния массива горных пород должен выполняться вне зависимости от границы уда-ро- и выбросоопасности. Информация, поступающая от сейсмоприемников по каналам телеметрии, будет поступать в центральный пункт приема и обработки оперативной информации.

Установка сейсмоакустических приемников в выемочный столб производится из окон-туривающих выработок, вентиляционного и конвейерного штреков. Для этого производится бурение скважин диаметром, позволяющим установить сейсмоакустический датчик в скважину на полную длину. Скважины бурятся через 70 - 100 м по всей длине оконтуривающих штреков, длина скважин должна быть не менее 10 м.

Для выполнения непрерывного мониторинга и прогноза ударо- и выбросоопасности в тупиковой выработке осуществляется проведение прогноза по искусственному сигналу работающего проходческого комбайна. При этом сейс-моакустические приемники в подготовительных забоях располагаются у забоя тупиковой выработки на расстоянии не менее 30 м и не более 110 м. Как и в очистном забое, скважина забуривается в борт выработки по угольному массиву на длину не менее 10 м.

Согласно [2] текущий прогноз выбросоо-

пасности по начальной скорости газовыделения является основным в системе определения состояния массива горных пород. Текущий прогноз предназначен для установления опасных и неопасных зон при проведении подготовительных выработок и ведении очистных работ. При невозможности выполнения текущего прогноза выбросоопасности вводятся локальные способы предотвращения выбросов или сотрясательное взрывание. Следует сделать первые шаги к изменению статуса определения состояния массива, основанного на постоянном контроле системой мониторинга, основанного на системах оперативного сейсмоакустического или сейсмического мониторинга.

До придания статуса полноценного прогноза системой постоянно действующего мониторинга состояния массива на шахте будет параллельно существовать система инструментального текущего прогноза и система мониторинга состояния массива горных пород геофизическими методами.

Для дальнейшего развития системы мониторинга потребуется изменить подходы к организации системы прогноза газодинамических явлений и контроля над выполнением мероприятий по их предотвращению. По мере наработки фактической информации, отладки программного обеспечения системы мониторинга, повышения квалификации обслуживающего персонала в части распознавания и сортировки событий, зафиксированных системой наблюдения, будет повышаться качество прогноза газодинамических явлений. Совмещение иных геофизических методов предварительного анализа состояния массива пород и угля с данными мониторинга позволит прогнозировать не только геомеханические процессы, но изменение содержания газов в пласте, скорость газоотдачи, распределение газовыделения по длине очистного забоя, свойства образующегося массива отработанного пространства. Поэтому потребуется дальнейшее развитие прежде всего программного обеспечения для обработки поступающей информации.

Выводы

1. Выполнение мониторинга за напряженным состоянием слагающей толщи горных пород, отрабатываемого угольного пласта и воздействие сейсмических волн на горные работы в шахте следует осуществлять на основании подземной и поверхностной частей комплекса контрольной аппаратуры.

2. Поверхностный сейсмический мониторинг позволяет в целом оценить геодинамику угледобывающего предприятия. В сочетании с

подземной частью система позволит локализовать сейсмическую активность и дать ей количественную оценку. Для повышения эффективности датчики поверхностной системы должны быть установлены в скважинах, забуренных до коренных пород, что до минимума снизит влияние посторонних шумов не геодинамического характера.

3. Подземный комплекс аппаратуры, расположенный в непосредственной близости от

места ведения работ по выемке горной массы, позволит осуществлять контроль за состоянием массива горных пород у забоев и прогнозировать возможные газодинамические и геодинамические явления.

4. Прогноз горных ударов и внезапных выбросов должен выполняться в сочетании с инструментальным текущим прогнозом выбросо- и удароопасности.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Правила безопасности в угольных шахтах [Электронный ресурс]: фед. нормы и правила в области промышленной безопасности: утв. Приказом Ростехнадзора (с изм. на 2 апреля 2015 года) URL: http://docs.cntd.ru/document/499060050 (дата обращения: 18.07.2016).

2. РД 05-328-99. Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам.

3. РД 05-350-00.Инструкции по безопасному ведению горных работ на пластах опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа.

REFERENCES

1. Pravila bezopasnosti v ugolnykh shakhtakh. [Safety rules in coal mines [electronic resource]: federal rules and industrial safety regulations: approved by a Rostekhnadzor Order (as amended)]. docs.cntd.ru. Retrieved from: http://docs.cntd.ru/document/499060050 (July 18, 20160) [in Russian].

2. RD 05-328-99. Instruktsii po bezopasnomu vedeniiu gornykh rabot na shakhtakh, razrabatyvaiushchikh ugolnyie plasty, sklonnyie k gornym udaram [Instructions for safe mining operations in mines, developing coal seams prone to rock bursts]. [in Russian].

3. RD 05-350-00. Instruktsii po bezopasnomu vedeniiu gornykh rabot na plastakh opasnykh po vnezapnym vybrosam uglia (porody) i gaza [Instructions on mine safety at seams prone to sudden outbursts of coal (rock) and gas [in Russian]..

63