Прогноз і реєстрація гірських ударів

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

Прогноз гірських ударів передбачає: а) виявлення ударонебез-печних 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 гірсь-ких 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 наванта-ження-деформація близькі до прямолінійних, тобто діють за зако-ном Гука в інтервалі навантаження зразків практично аж до їхнього руйнування. У породах, не схильних до гірських ударів, при випро-буваннях спостерігається розвиток пластичних деформацій: залеж-ності навантаження-деформація починаючи з деякого рівня напру-жень вирівнюються, тобто деформації ростуть швидше, ніж наван-таження, 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 висадже-ння 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 у 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 супрово-джують певні видобувні процеси. Наприклад, стріляння в прохідних вибоях за звичай починається відразу після взривання чергового врубу і являє собою процес безперервного з короткими інтервалами відскакування плиток породи, яке відбувається в найбільш напру-женій ділянці приконтукного масиву.

Зокрема, на рудниках ПО «Апатит» особливо інтенсивне стріля-ння порід спостерігається протягом першої півгодини після черго-вого висадження вибійних 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 працюю-чих 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 вив-ченим, є зміна сейсмоакустичної активності масиву, тобто зміна числа природних сейсмоакустичних (переважно звукових) імпуль-сів 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 спосте-режень містить у собі наступні операції: прийом природних імпуль-сів, 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-перед-бачення часу прояву гірських ударів. Мова тут йде про середні, сильні і катастрофічні удари, оскільки саме з такими ударами пов'я-зана основна небезпека і істотні порушення технологічного проце-су.

Для прогнозу у районах і басейнах, небезпечних по прояву гірських ударів, звичайно створюють спеціальну службу інстру-ментальних спостережень за ознаками, які сповіщають про гірські удари. Одним з основних показників, що реєструються інструмен-тальними спостереженнями, є сейсмоакустична активність породно-го 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 без перерв-ного, 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 маси-ву гірських порід розроблені багатоканальні сейсмічні станції, осна-щені міні-комп'ютерами. За допомогою цих станцій визначають координати місць зародження сигналів акустичної емісії в розроб-лювальному масиві гірських порід і стежать за їх розподілом у процесі зміни напружено-деформованого стану масиву, який доз-воляє одержувати необхідну інформацію про інтенсивність нарос-тання 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 або періодично складають карти мікросейсморайонування, які дозво-ляють 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 гірсь-кого удару, оцінити кількість сейсмічної енергії, встановити частот-ний спектр, тривалість, амплітуду і інші параметри сейсмічних коливань.

Оскільки в багатьох випадках гірські удари відбуваються в ціли-ках, залишених у виробленому просторі, на відпрацьованих гори-зонтах, пластах, жилах, куди немає безпосереднього доступу, такі спостереження дозволяють оцінювати не тільки параметри гірських ударів, що відбуваються, але і зміни ударонебезпечної ситуації вна-слідок зміни в часі напруженого стану і рівня накопиченої потен-ційної енергії на різних ділянках шахтного поля.