Чи можна прогнозувати стійкість підземних виробок, не спускаючись у шахту ...

Глікман А.Г.

Знову сталося обвалення порід покрівлі в копальні, і загинули люди. Цього разу, в Норильську.

Якщо подивитися в інтернеті на пошуковику, то можна побачити, що біда ця відбувається в підземному просторі регулярно і неминуче, у всіх точках Землі, незалежно від рівня техніки і виконання правил техніки безпеки. За статистикою, при веденні підземних робіт з цієї причини відбувається 50% травматизму. Тому обвалення і називається раптовим, що люди змирилися з тим, що спрогнозувати його не можна.

Втім, не зовсім так ...

У Горно-технологічної лабораторії Гірничого факультету Ленінградського гірничого інституту (ЛГМ) з 1977-го до 1993-го року проводилася науково-дослідна робота (НДР) зі створення апаратури і методики прогнозування обвалення порід покрівлі у вугільних шахтах. Взагалі кажучи, така ж НДР перманентно проводиться у всіх гірницьких НДІ по всьому світу, але посилатися на них ніхто не буде, так як успіхів там немає, і, як мені здається, не передбачається. У ЛГМ ж сталося трохи інакше.

Там у 1977-му році народився, на правах байстрюка, новий геофізичний метод, за допомогою якого виявилося можливим виявляти поверхні потенційного і/або фактичного розшарування углевмещающіх порід. Вугленосна породна товща - принципово шарувата середу, і, треба думати, чималу роль в поведінці цієї товщі грає міцність контакту ( "склеювання") сусідніх шарів. І дійсно, використання нового (який отримав в подальшому назву спектрально-сейсморозвідувальних) методу при дослідженні гірських порід, що залягають в покрівлі вугільного пласта, дозволило виявити закономірності, які зараз здаються нам, як кажуть, тупо очевидними, але тоді, 25 років тому - несподіваними, і навіть парадоксальними. Так, нам вдалося встановити, що обвалення порід покрівлі передує їх розшарування. Або, інакше кажучи, поки породи не розшарувати, обвалу не буде. А якщо ми з допомогою методу ССП (спектрально-сейсморозвідувальних профілювання) можемо сказати, де саме йде розшарування, то, мабуть, слід говорити про прогнозі обвалення порід.

Справді, якщо вам повідомлять, що у вас над головою, скажімо, півметровий породний шар не має зчеплення з вышележащими породами, то ви на підставі цього вже можете прийняти рішення - підкріпити чи покрівлю в даному місці, обрушити цей шар або просто відгородити небезпечне простір. Тобто, обвалення перестало бути раптовим.

Цей підхід перевірявся шахтними геологами років п'ять, після чого, на їхню вимогу (!), почалося масове виробництво апаратури, реалізує його. Апаратура отримала назву "Резонанс", і до 1993-му році нею користувалися вже у всіх вугільних регіонах СРСР.

Для довідки, повідомлю наступне. Переді мною "пам'ятка шахтарю ", представлена американської вугільної наукою у 1990 році на виставку "Вугілля-90", що проходила у Донецьку. Там рекомендується шахтарю постійно оцінювати стійкість покрівлі в такий спосіб. Притиснувши ліву руку до покрівлі, правою рукою наносити удари молотком по покрівлі на відстані приблизно 1 метра. Якщо лівою рукою ми не відчуємо вібрації від удару, значить, покрівля міцна. На жаль, цей спосіб не зменшив статистики травматизму від обвалення порід покрівлі. У нас же на шахтах, які використовували апаратуру "Резонанс", раптового обвалення вже бути не могло.

Не можна сказати, що робота над фізикою цього методу і впровадження апаратури "Резонанс" були безхмарними. Адже відомо, що якщо ви зробите хоча б один самостійний крок у науці, то вас негайно постараються примусити зробити крок назад. Тут же мені довелося б довго крокувати тому. Перший крок - це виявлення нового, раніше невідомого фізичного ефекту. Ефект цей був виявлений ще в 1977 році і полягав у тому, що породний шар проявляє властивості коливальні системи, власна частота якої однозначно пов'язана з товщиною (потужністю) цього шару. А далі від нас вже нічого не залежало. Справа в тому, що, відповідно до законів методології, новий фізичний ефект обов'язково стає основою нового дослідницького методу (яким і став метод ССП). Далі, згідно із законами методології, метод, заснований на новому фізичному ефекті, обов'язково стає джерелом принципово нової інформації. От саме перша порція цієї інформації і дозволила нам підійти до вирішення проблеми прогнозування стійкості покрівлі у вугільних шахтах.

Принципова новизна полягала в тому, що за допомогою наших вимірів виявлялися поверхні, по яких може йти або вже йде розшарування. Поверхні ці іншими методами не ідентіфіціруются1 . У більшості випадків, ці поверхні ОМК формувалися надтонкими вуглисті прошарками, які, надаючи вирішальний вплив на стійкість покрівлі, не виявлялися не тільки геофізиків, але навіть і при розвідувального буріння. При вибуріваніі, керн в тих місцях, де він перетинає вуглисті уславився, ламається, а сам вуглисті матеріал вимивається промивної рідиною, не залишаючи ніяких слідів.

З 1993 року з незалежних від нас причин ми у вугільній науці не працювали. Як далі виявилося, саме цей момент дозволив нам розібратися з одним дуже істотним явищем.

Справа в тому, що, займаючись прогнозуванням обвалення порід покрівлі за допомогою апаратури "Резонанс", ми іноді зустрічалися зі випадком, коли покрівля, складена міцним пісковиком великої потужності, при повній відсутності в ньому поверхонь ОМК, тим не менше, виявляється нестійкою. Піщаник при цьому висипається, будучи розбитим як би на плиточки. Кожна плиточка окремо дуже міцна, і до причин такого руйнування настільки міцного матеріалу ми тоді так і не додумалися.

Це був дуже великий камінь в наш город, тому що якщо метод, призначений для збереження життя людей, хай і дуже рідко, але може дати неправильну інформацію про стійкість покрівлі, причому, у бік її завищення щодо реальної, то це може мати катастрофічні наслідки.

З тих пір пройшло 10 років. За цей час наведені вище закони методології проявили себе повною мірою. Застосовуваний нами з поверхні (оскільки в шахтах ми працювати протягом цього періоду не могли) метод ССП виявився справді невичерпним джерелом інформації про будову і властивості земної товщі. Зокрема, нам вдалося виявити фактор, через якого відбуваються незрозумілі руйнування інженерних споруд. Але й тут вийшло так, що результати наших досліджень суперечили усталеним поглядам.

По-перше, виявилося, що основним геологічним об'єктом, підлягає виявлення за допомогою методу СЗП, є тектонічні порушення. Спочатку, коли ми це зрозуміли, особливого задоволення ніхто не зазнав, тому що, якщо звернутися до геологічної і геофізичної літератури, то звідти можна дізнатися, що практично всі відомі геофізичні та геологічні методи претендують на те, що з їх допомогою ці геологічні об'єкти виявляються. Однак коли ми почали досліджувати зони тектонічних порушень, то виявилося, що властивості їх радикальним чином відрізняються від тих, які їм приписувалися до цих пір.

Так, згідно з навчальної, наукової та нормативної літератури, при досить великої потужності осадового чохла тектонічні порушення не мають жодного впливу на інженерні споруди. Разом з тим, відповідно до результатів, отриманих за допомогою методу ССП, виявилося, що раптові руйнування інженерних сооруженій2  відбуваються практично завжди в зонах тектонічних порушень. Багато сотні вимірів, зроблені нами за допомогою методу ССП, однозначно доводять, що при всіх існуючих потужностях осадового чохла (в усякому разі, до 8000 м) гірські породи в зонах тектонічних порушень мають цілком певні властивості, про які ніхто ніколи навіть і не припускав.

Строго кажучи, гірські породи, що знаходяться безпосередньо над розривних тектонічних порушенням, на всю потужність осадового чохла і породами-то назвати не можна. Про стан їх можна судити хоча б тому, що при попаданні розвідувальної свердловини в цю зону, керн взяти не вдається, настільки вони зруйновані. Справа в тому, що на всю товщу осадового чохла геологічний матеріал в зонах тектонічних порушень не злежується в породу, оскільки частинки цього матеріалу знаходяться в постійному мікропереміщеннях зверху вниз, беручи участь у нескінченному процесі заліковування порід кристалічного фундаменту, що знаходиться в зруйнованому стані.

Більш того, як виявилося доведеним вченими Інституту Гірського справи УРАН (відділом прогнозування техногенних катастроф, http://igd.uran.ru/geomech/articles/sad_005/index.htm ), породи в межах зон тектонічних порушень знаходяться у стані постійної пульсації.

Усі разом, це пояснює фізику руйнування інженерних споруд в зонах тектонічних порушень. Причому незалежно від того, чи знаходяться ці споруди на поверхні або в підземному просторі.

Що стосується підземного простору, то влітку нинішнього, 2003 нами був здійснений експеримент з оцінки гірничо-геологічної ситуації у вугільній шахті за допомогою методу ССП при профілювання по поверхні, в межах шахтного поля. Виміри проводилися на полі шахти, яке мало протягом останніх місяців серйозних труднощів при веденні очисних робіт. Ці труднощі полягали в підвищеному вивалообразованіі порід покрівлі. Профілі ССП проходили над виробками через ділянки, де мали місце ускладнення.

Шахта знаходиться в Кузбасі, розробляє свиту пластів з пологим (10-150) заляганням вугільних пластів, з видобутком 3,5 мільйонів тонн вугілля в год3 .

Однією з умов експерименту була повна відсутність у нас якої б то не було інформації про те, де, над якими виробками проходив профіль, і в яких виробках спостерігалися ті чи інші ускладнення. Це дуже важливий момент, тому що в більшості, що проводилися геофізичні дослідження полягають саме в тому, щоб, роздобувши всіма правдами і неправдами геологічну інформацію, представити її як отриману за допомогою геофізики.

Аналіз результатів проведених досліджень показав, що всі зони, в яких були зафіксовані ускладнення підземних робіт, проявилися на ССП-розрізах. При цьому, і це, на мій погляд, найголовніше, була виявлена зона, ускладнення в якій було невідомо представникам шахти, що керувала описуваним експериментом.

Треба сказати, що при прогнозуванні гірничо-геологічної ситуації у виробках вугільної шахти шляхом профілювання з денної поверхні має місце деяка невизначеність. Виявивши за допомогою методу ССП зону тектонічного порушення, ми можемо з впевненістю сказати, ця зона є також і зоною ускладнення гірничо-геологічної ситуації. Однак у чому полягає це ускладнення, сказати не можна. Це, наприклад, може виражатися підвищенням вивалообразованія, а може, і підвищеної піддатливість грунту. Залежати це буде від того, якими породами складені покрівля і грунт виробок.

При проведенні подібних робіт на полі рудника, коли рудне тіло залягає в породах кристалічного фундаменту, такої невизначеності не виникає. Там будь-яка зона ускладнення проявляється підвищеним вивалообразованіем.

На підставі отриманих результатів, в даний час можна зробити наступні висновки:

Застосовуючи для вугільних шахт сучасну модифікацію апаратури "Резонанс" спільно з використанням методу ССП з поверхні, може бути вирішена проблема оцінки гірничо-геологічної ситуації в підземних виробках і завчасного виявлення тектонічних порушень;

Застосування методу ССП може вирішити проблему оцінки та прогнозування зон потенційного вивалообразованія не тільки в вугільних шахтах, але також і в рудниках.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.newgeophys.spb.ru/