Прогноз і реєстрація гірських ударів

При розвідці і розробці корисних копалин, будівництві підземних споруд важливе значення має прогноз гірських ударів. Він дозволяє правильно спроектувати об'єкт, передбачивши проходку основних виробок в неударонебезпечних породах і ділянках, вибрати відповідну систему розробки і способи проходки виробки.

Прогноз гірських ударів передбачає: а) виявлення ударонебезпечних гірських порід (у тому числі покладів чи пластів корисної копалини) і оцінку глибин, починаючи з яких дані породи стають ударонебезпечними; б) визначення ділянок можливого прояву гірських ударів; в) передбачення часу прояву гірських ударів.

На стадії розвідки родовища чи інженерно-геологічних пошуків порівняльна здатність гірських порід до нагромадження пружної потенційної енергії може бути визначена за допомогою механічних властивостей порід з використанням для цього бурових кернів. Для порід, потенційно схильних до гірських ударів, залежності навантаження-деформація близькі до прямолінійних, тобто діють за законом Гука в інтервалі навантаження зразків практично аж до їхнього руйнування. В породах, не схильних до гірських ударів, при випробуваннях спостерігається розвиток пластичних деформацій: залежності навантаження-деформація починаючи з деякого рівня напружень вирівнюються, тобто деформації ростуть швидше, ніж навантаження, закон Гука не виконується.

Оцінка ударонебезпечності порід на стадії розвідки носить самий попередній характер і не дає повністю об'єктивних і однозначних результатів. Більш надійний прогноз ударонебезпечності може бути здійснений на споруджуваному чи діючому об'єкті при проходці виробок і веденні видобувних робіт. При цьому об'єктивними ознаками ударонебезпечності є стріляння, поштовхи і слабкі гірські удари, що супроводжують виробничі процеси (буріння і висадження шпурів і свердловин, відбій молотками). Ці процеси, роблячи динамічний вплив на сильно напружену приконтурну частину масиву корисної копалини чи породи у випадку схильності даної породи до гірських ударів, по суті, провокують виникнення крихких мікроруйнувань в приконтурному масиві, що свідчить про наявність такого напруженого стану, який може за певних умов спричинити більш сильні гірські удари.

Відмічено, що стріляння, поштовхи і слабкі гірські удари, якщо вони в даній ситуації стали проявлятися, звичайно являють собою не одиничні явища, а серії однохарактерних явищ, які супроводжують певні видобувні процеси.. Наприклад, стріляння в прохідних забоях за звичай починається відразу після взривання чергового врубу і являє собою процес безперервного з короткими інтервалами відскакування плиток породи, яке відбувається в найбільш напруженій ділянці приконтукного масиву.

Зокрема, на рудниках ПО «Апатит» особливо інтенсивне стріляння порід спостерігається протягом першої півгодини після чергового висадження забійних шпурів, потім інтенсивність процесу зменшується. На вугільних родовищах при бурінні, роботі врубових машин чи комбайнів на ударонебезпечних пластах поштовхи також відбуваються досить часто. Безпосередньої небезпеки для працюючих і для збереження обладнання вони самі по собі звичайно не представляють, а іноді на таких ділянках видобувні процеси навіть полегшуються.

За своєю фізичною природою стріляння, поштовхи і слабкі удари аналогічні форшокам, які передбачають землетруси, тобто це явища крихких мікроруйнувань, які свідчать про високий рівень пружних напружень у масиві і потенційної ударонебезпеки.

Іншим передвісником гірського удару, причому найбільш вивченим, є зміна сейсмоакустичної активності масиву, тобто зміна числа природних сейсмоакустичних (переважно звукових) імпульсів у масиві гірських порід, пов'язаних з мікроруйнуваннями під впливом зростаючих напружень у відповідних частинах масиву. На реєстрації й аналізі цих імпульсів заснований сейсмоакустичний метод прогнозу гірських ударів. Процес сейсмоакустичних спостережень містить у собі наступні операції: прийом природних імпульсів, посилення їх до визначеного рівня і передачу на реєстрацію, аналіз сейсмоакустичної активності.

Для прийому сейсмоакустичних імпульсів у різних точках масиву встановлюють сейсмоприймачі (геофони), які сприймають і передають імпульси, що виникають у породі, по кабелю чи по радіо на пункт реєстрації. Реєстрацію ведуть на паперову чи магнітну стрічку або цифровим способом.

Найпростіший вигляд аналізу сейсмоакустичної активності — визначення числа імпульсів за одиницю часу. Ріст числа імпульсів свідчить про активізацію процесу мікроруйнувань.

Поряд з описаними ознаками ударонебезпеки проявляються і інші. Так, у вугільних пластах при ударонебезпечних ситуаціях збільшується вихід і міняється крупність штибу. Вихід штибу в перенапружених ділянках збільшується до 10 разів і більше, причому за рахунок крихких мікроруйнувань частинок вугілля на забої свердловини штиб утвориться більших розмірів.

Найбільшу складність представляє третій вид прогнозу—передбачення часу прояву гірських ударів. Мова тут йде про середні, сильні і катастрофічні удари, оскільки саме з такими ударами пов'язана основна небезпека і істотні порушення технологічного процесу.

Для прогнозу в районах і басейнах, небезпечних по прояву гірських ударів, звичайно створюють спеціальну службу інструментальних спостережень за ознаками, які сповіщають про гірські удари. Одним з основних показників, реєструємих інструментальними спостереженнями, є сейсмоакустична активність породного масиву. Її варіювання відповідає зміні напруженого стану порід. Звичайно перед гірським ударом сейсмоакустична активність різко зростає, а потім, за 30—40 хвилин до удару, практично зникає.

Найбільш надійним є прогноз, заснований на системі безперервного, постійного і своєчасного одержання і обробки інформації про місце, час і розвиток у просторі вогнищ динамічних явищ. Для такого оперативного контролю і прогнозу стану і поводження масиву гірських порід розроблені багатоканальні сейсмічні станції, оснащені міні-комп'ютерами. За допомогою цих станцій визначають координати місць зародження сигналів акустичної емісії в розроблювальному масиві гірських порід і стежать за їх розподілом у процесі зміни напруженно-деформованого стану масиву, який дозволяє одержувати необхідну інформацію про інтенсивність наростання і спаду мікросейсмічних явищ для своєчасного прогнозу часу, місця і сили очікуваного гірського удару.

Для спостережень і прогнозу гірських ударів застосовують також сейсмічні методи. Сейсмічні станції, створені в районах прояву гірських ударів, поряд із сейсмоакустичною апаратурою оснащують чуттєвими сейсмогра­фами і нахиломірами. Розташовуючи пункти сейсмічних спостережень у різних точках шахтного поля чи, періодично складають карти мікросейсморайонування, які дозволяють виділяти на визначені періоди сейсмічно активні зони, у межах яких найбільш ймовірний прояв гірських ударів.

У випадку гірського удару сейсмічні спостереження дозволяють визначити координати в глибину гіпоцентру, тобто вогнища гірського удару, оцінити кількість сейсмічної енергії, встановити частотний спектр, тривалість, амплітуду і інші параметри сейсмічних коливань.

Оскільки в багатьох випадках гірські удари відбуваються в целіках, залишених у виробленому просторі, на відпрацьованих горизонтах, пластах, жилах, куди немає безпосереднього доступу, такі спостереження дозволяють оцінювати не тільки параметри гірських ударів, що відбуваються, але і зміни ударонебезпечної ситуації внаслідок зміни в часі напруженого стану і рівня накопиченої потенційної енергії на різних ділянках шахтного поля.