Отклик на монографию Кауфмана Л.Л, Буканя А.П., Лысикова Б.А. "Подземное строительство в нестабильных условиях"

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 622.831.322

Отклик на монографию Кауфмана Л.Л, Буканя А.П., Лысикова Б.А. "Подземное строительство в нестабильных условиях"

В.И.Николин, С.В.Подкопаев, О.Г.Худолей

1. Предисловие

Наибольший научно-практический интерес для специалистов представляют результаты обзора зарубежного опыта, непривычно для нас обобщенно названного его авторами влиянием сейсмических проявлений на нестабильность подземного строительства.

Основной смысл отклика видим в поиске возможностей использования зарубежного опыта, учета его с позиций отечественных знаний и понимания сущности динамических проявлений горного давления в глубоких шахтах. Не исключаем возможности и полезность взаимных сопоставлений практики применения способов прогноза и предотвращения названных явлений.

Изучение описанного в монографии опыта убеждает в недостаточно детальном знании и понимании за рубежом совершенствующихся в последнее десятилетие отечественных представлений о природе и механизме выбросов породы и газа, обрушений углепородного массива.

Склонны объяснить сказанное преимущественно тем, что, во-первых, опубликованы некоторые результаты исследований были ранее в местных (Донецкая область Украины) изданиях [1,2,3].

Во-вторых, авторы монографии в ХХІ столетии непосредственно не участвовали в развитии отечественных исследований, относившихся к вскрытию природы особенностей динамических проявлений горного давления -- разрушения на больших глубинах при разгрузке.

Значительный объем библиографии (36) позволяет относить рассматриваемую монографию к достаточно фундаментальному обзору зарубежного опыта, заслуживающему пристального внимания. Но относится он преимущественно к проведению подготовительных выработок, тоннелей.

До 2006 г. нормативами при разработке выбросоопасных пластов Донбасса являлись "Инструкции..." [4,5], общие для всех шахт Советского Союза. В них излагались, в том числе сущность, понятие, особенности выбросов угля (породы) и газа.

В новом стандарте Минуглепрома Украины, введенном в 2006 г., они содержаться в Приложении А [6]. Именно поэтому посчитали необходимым прежде чем анализировать содержание монографии привести нашу формулировку понятия процесса выбросов как разрушения при разгрузке, исключающую давно устаревшее "размещение разрушенной породы (угля) после выброса в выработке под углом естественного откоса".

Выброс угля (породы) и газа представляет собой быстропротекающее разрушение призабойной (пристеночной) части выработки, возникающее при перераспределении напряжений во время выемки угля (породы), распространяющееся в глубину массива, сопровождающееся отбросом по пройденным выработкам иногда на сотни метров разрушенной до тонких фракций породы, как правило содержащей "бешеную муку", повышенным по сравнению с обычным газовыделением и образованием в массиве полостей нередко причудливой формы.

Таким образом, это лавинообразное, самоподдерживающееся разрушение, представляющее последовательный отрыв пластин газоносных пород и вынос их по ранее пройденным выработкам в псевдожиженном газовом потоке.

Роль природной газоносности в этом процессе двояка [7,8,9,10].

Она «охрупчивает» горный массив, т.е. увеличивает склонность к разрушению при разгрузке от деформаций растяжения; способствует увеличению интенсивности выбросов за счет отброса (выноса) разрушенной породы в газовом (псевдожиженном) потоке.

Акад. Скочинский А.А. еще в прошлом веке утверждал, что "только 3 фактора в совокупности определяют формирование потенциальной выбросоопасности: газ, горное давление и физико-механические свойства угля [3, с.39].

Следовательно, использование авторами рассматриваемой монографии термина "внезапные выбросы породы" не совсем полно соответствует сущности и природе явлений, которые имеют место на шахтах Украины, России, Германии, Белоруссии, Армении и других стран мира при выбросах породы и газа (песчаников, солей, порфиритов и др.).

Более того, авторы монографии не точны. В частности, на рисунках 3.2 и 3.9 написаны Rockburst -- это, все-таки, горные удары. На рис. 3.10 они же показаны и в тексте монографии на с.210, определены как малые выбросы -- "стреляния" пород. Навряд ли правильно изменять название динамического проявления из - за его «масштабности» (малые, большие), а не из - за его природы.

В нормативных положениях СССР и Украины [4, 5, 6] выбросоопасность пород (песчаников) по интенсивности разделения кернов разведочного (колонкового) бурения на диски разделяется на 3 степени: высокая (>500 т), средняя (100 - 500 т) и невысокая (менее 100 т). Для каждой из них рекомендуются конкретные способы предотвращения выбросов или уменьшения их интенсивности.

Подраздел 3.1 (с.184-283) назван "Внезапные выбросы породы", а 3.2 "Землетрясение" (с.284-361). Замечания по ним помещены далее.

В целом, терминологические "нестыковки" в деталях, думаем, не снижают полезность изучения зарубежного опыта проведения тоннелей в условиях возможных динамических проявлений горного давления. Пока ограничимся взятием термина "внезапные выбросы породы" глубоких шахт в кавычки, а сокращенно их название представим как ВВП.

2. Замечания - пожелания по отдельным положениям

Нельзя не соглашаться с мнением зарубежных специалистов и переводчиков с оценкой сейсмичности ВВП значениями их магнитуды по шкале Рихтера. Но надо хорошо понимать, что она (сейсмичность) -- это только следствие разрушения, ибо не магнитуды же вызывают ВВП. Использовать их для прогноза выбросоопасности или степени выбросоопасности, как это делается на основе нормативных положений [4,5,6] по разделению кернов на диски на шахтах Украины более 40 лет, невозможно, ибо необходимые для этого исследования ранее не выполнялись или нам они неизвестны.

Вполне положительно в монографии оценивается возможность прогнозирования склонности к "выбросам породы" по расслоению кернов разведочного бурения на диски (с.205 - 210). Но природа расслоения кернов объясняется иначе, чем это было сделано в СССР ранее [2] на основе представлений о разрушении при разгрузке массива.

С позиций современных представлений ДонНТУ о реальности разрушения горного массива при разгрузке его участок у забоя скважины при колонковом бурении как бы оконтуривается своеобразным кольцевым пазом (рис.1.), т.е. разгружается. Деформации упругого восстановления и генетического возврата, являющиеся деформациями растяжения, отрывают диск от массива [2,9].

Рис.1. Схема развития деформаций упругого восстановления и генетического возврата при бурении разведочной скважины

В рассматриваемой монографии совершенно справедливо отмечается, что расслоение кернов -- это признак высоких напряжений, действовавших продолжительное время. Но как было экспериментально установлено нами ранее, совсем не обязательно они должны быть перпендикулярными направлению максимальных напряжений. В частности, в квершлаге ш."Кочегарка" ГП "Артемуголь" в выбросоопасном песчанике пробурили три разведочных колонковых скважины: одну в направлении проведения выработки, вторую -- перпендикулярно ей (в стенку) и третью -- в направлении замка металлической арочной крепи. Во всех скважинах керны разделялись на диски выпукло-вогнутой формы, выпуклостью ориентированных в сторону забоев скважины.

Следовательно, выбирать направленность бурения, при прогнозе выбросоопасности по разделению кернов на диски, не следует. Скважины должны ориентироваться по ходу выработки (тоннеля), а не в его стенку. Может быть, из-за этой неточности было ограничено за рубежом применение данного способа.

В некоторых случаях, особенно в изверженных породах и зонах высокой степени выбросоопасности, может происходить расслоение кернов на такие тонкие диски, которые разрушаются даже уже во время бурения и вымываются промывочным раствором. Выбросоопасность в этом случае может прогнозироваться по уменьшению выхода кернов Вк, рассчитываемого как отношение длины кернов разведочной скважины к к общей длине скважины ск, м:

(1)

Данное предложение было реализовано ДонНТУ при проведении тоннеля Арпа-Севан в Армении, когда к выбросоопасности относили породы при Вк ? 0,5.

В 1987 г. сотрудники ДонНТУ (проф. Николин В.И. и доц. Яйло В.В.) посетили Североуральские бокситовые рудники (СУБР) в России. На них по рекомендации ВНИМИ (г. Санкт -- Петербург, Россия) в этот период времени успешно прогнозировали удароопасность бокситовых руд по разделению кернов на диски.

Наше новое представление о реальности разрушения породных массивов при разгрузке подтвердилось результатами бурения сверхглубокой скважины на Кольском полуострове в России, которую сотрудники ДонНТУ (профессора Николин В.И. и Александров С.Н.) посетили в начале восьмидесятых годов прошлого столетия [8].

Первые отдельные диски при бурении скважины в гранитах обнаружены на глубине 6000-7000 м [8]. По мере увеличения глубины бурения число дисков возрастало, а на глубине 11500 м дисков не стало. Прочный гранит разрушался до размеров крупнозернистого песка и выносился промывочной жидкостью. Та часть кернового материала, которая до такого состояния разрушена не была, представлена, сфотографированными нами, пластинообразными плитками толщиной в несколько миллиметров [8]. Выход керна Вк ? 0,35.

В главе 3 описывается разгрузочное взрывание, которое позволяет устранять или контролировать малые выбросы. Прекращение применения способа объясняется трудностью бурения и заряжения длинных скважин. Нам кажется, что принятое решение было поспешным по двум причинам.

Во-первых, изучение фотографий разрушений, вызванных ВВП, убеждает в том, что в тоннелях, проводимых в весьма прочных породах, глубина разрушений их стенок не превышает примерно около 3 м (рисунки 3.1, 3.4, 3.5, 3.19, 3.24 и др.). Эта же мысль выражена на с.232: "Глубина трещиноватой зоны в стенках тоннеля на шахтах Южной Африки обычно составляет от трети до половины высоты стен".

Во-вторых, это полностью совпадает и соответствует нашим обоснованиям необходимости для сохранения устойчивости подготовительных выработок на больших глубинах проводить в них компенсационные выемки (ниши, траншеи и т.п.) ограниченной глубины [9,10,11]. На основании сравнительно небольшого опыта применения способа на шахтах Донбасса можно приблизительно назвать для проведения промышленных испытаний параметры компенсационных выемок. Их высота составляет 2,5 - 3,0 м, расстояние между ними по длине тоннеля около 0,5L, где L - максимальный размер сечения выработки; ширина примерно 1 м.

Физико-технологический и геомеханический смысл их проведения принципиально отличен от того смысла, который вкладывался в течение многих лет ранее. Они, безусловно, приводят к перераспределению напряжений. Но не напряжения или их перераспределения обусловливают сохранность выработок, а только их возможности изменять направленность деформирования после очень продолжительного трехосного сжатия.

В этой же главе приведены в том числе примеры снижения вредного воздействия ВВП при проведении автомобильных тоннелей. Констатируется, что в недавние годы от проведения тоннелей вдоль и вокруг фиордов перешли к проведению их между (поперек) фиордов. Обращается внимание на своеобразие зон "близких к поверхности, на которые влияют эрозионные процессы" (с.213), но ни слова ни говориться о том, как они определяются.

На Украине нет условий для проведения фиордов, но достаточно детально изучены приповерхностные участки углепородного массива, названные ранее зонами газового выветривания (ЗГВ). Определялась зависимость ее глубины от степени метаморфизма углей, катагенеза пород, т.е. прочности углепородного массива. Ее глубина в среднем возрастала от 100 м в районах разработки антрацитов до 430 - 440 м в геологопромышленных районах разработки углей марки Д. В названных районах за многие десятилетия не произошло не только ни одного выброса породы, но и ни одного внезапного выброса угля и газа.

Сказанное вполне позволяет нам утверждать, что "безвыбросное" проведение тоннелей вдоль фиордов вполне возможно, но только при условии разработки надежного способа определения (измерения) глубины влияния эрозионных процессов.

В опубликованной монографии несколько раз констатируется технолого-экономическая, а иногда и научно-техническая сложность предотвращения большинства внезапных выбросов. Эта констатация вполне справедлива и для угольных шахт Украины с той только разницей, что реально на порядки сказывается различие в объемах финансирования затрат на науку.

С позиций непосредственно финансовых расходов на безопасность труда особую статью представляет тот факт, что все ВВП происходят при производстве взрывных работ, ибо тоннели проводятся по прочным или очень прочным породам, которые разрушаются буровзрывным способом.

На шахтах СССР, а теперь и Украины -- это сотрясательное взрывание [3,4,5,6]. С середины прошлого века в передовых Европейских странах (Франция, Бельгия, Венгрия, Германия и др.) считалось, что основной недостаток сотрясательного взрывания заключается в возможности так называемых "запоздалых выбросов, которые могут происходить через какое-то время (даже в течение суток) после производства взрыва. Вопрос этот неоднократно рассматривался, экспериментально регистрировался, обсуждался.

В положения о сотрясательном взрывании было введено, и в течение многих лет на шахтах Украины сохраняется, ограничение времени, через которое допустим (возможен) осмотр забоя выработки после производства взрыва зарядов ВВ. Это время составляет - не менее 30 мин. Все описанные в монографии ВВП произошли (как бы были "спровоцированы") "вскоре после взрывных работ" (с.244). Но один из них (шахта Macassa, апрель 1997 г., гор. 6723 фут.) выделен из-за того, что произошел через 7 минут после взрывания.

Описанный опыт вполне подтверждает как обоснованность ограничения времени осмотра забоя выработок выбросоопасных пород (углей), так и дополнительно акцентирует внимание на необходимости его выполнения.

Необходимо обратить внимание на описание ВВП, происходившие на шахте «Lake Shore» (Канада), разрабатывающей 2 узкие золотоносные кварцевые жилы. "Малые выбросы" (< 20 т) происходили во время проходки слепых стволов. В стволе №4 между глубинами 1340 м и 1570 м было зарегистрировано 60 выбросов, а на этой же глубине в стволе № 6 --30. "Интересно отметить, что при дальнейшей проходке выбросы не наблюдались, особенно, до глубины 2520 м" (с.242).

Объясняется феномен двумя, но только возможными по терминологии авторов причинами, которые мы так же как и авторы монографии полностью не принимая, обращаем внимание на редчайшее совпадение с идеями и доказательствами опубликованных ранее нами гипотетичными изменениями склонности к выбросам угля и газа при разработке угольных шахтопластов по мере увеличения глубины разработки [8].

Обосновывая изменения проявлений выбросоопасности при увеличении глубины разработки в решающей степени, ранее учитывали результаты экспериментально полученные американскими исследователями в лабораторных условиях [13].

Испытания образцов производились в установках для трехосного сжатия по схеме фон Кармана:

(2)

Констатировалось, что диаграммы напряжения сжатия - деформации при уХ = уY = 70 кг/см2 во всех случаях являлись характерными для хрупких материалов.

Диаграммы напряжения - деформации при боковом давлении уХ = уY = 210 кг/см2 свидетельствовали о более пластичном, в отдельных случаях, типе разрушения: регистрировались несущественные деформации ползучести.

При уХ = уY = 350 кг/см2 деформации ползучести оказались значительнее, а при разгрузке зарегистрировано необычное разрушение образцов на «вафлеобразные» пластины (диски).

Авторы экспериментов вспомнили, что такой тип разрушения ранее впервые и тоже совершенно неожиданно и тоже при выполнении лабораторных экспериментов во время разгрузки получил П.Бриджмен. Они полностью повторили, т.е. согласились с объяснением этого необычного разрушения по П.Бриджмену.

Одновременно с этим согласием не столько обратили внимание, сколько акцентировали внимание на том, что разрушались керны - цилиндры на вафли, перпендикулярные максимальным напряжениям, что и могло обусловить ограничение применения способа, о котором мы уже говорили.

В связи с высказанным нами ранее в [8] предположением на рис.2 представлен график зависимости деформаций ползучести от напряжений уZ при трехосном сжатии, когда уХ = уY = 350 кг/см2 , которые соответствовали по напряженности экспериментам, при которых ранее П.Бриджмен впервые обнаружил разрушение горной породы при разгрузке.

В следующей серии экспериментов уХ = уY = 700 кг/см2 было дополнительно введено внутрипоровое (внутритрещинное) давление флюидов в образцы пород. Результаты экспериментов описаны в статье достаточно детально, поэтому нет смысла их повторять. Но необходимо обратить внимание на то, что при уХ = уY = 700 кг/см2 во время разгрузки образцов породы в которых внутрипоровое давление не создавали, не описано ни одного случая разрушения. Их не было или они не происходили, остается пока не очень понятным.

Анализируемые в [13] эксперименты осуществлялись при температурах 26°, 90° и 150°С. Учитывая то, что на больших глубинах температура горных массивов возрастает, исследователи посчитали необходимым дополнительно рассмотреть и влияние на зависимость напряжения - деформации роста температуры с 26° до 90°. Последняя температура примерно соответствует уже названной глубине, которая характеризуется прекращением ВВП в Канаде. Сопоставление графиков (рис.2) убеждает в положительном и существенном влиянии температуры на рост неупругих деформаций образцов известняка при трехосном сжатии.

В статье [13] отмечается, что высокая температура снижает максимальную прочность, «повышает податливость» (подч. нами).

Это явление в статье не разъясняется, но одновременно с этими мыслями растет наша убежденность в том, что вероятность динамического или взрывоподобного разрушения при разгрузке, имеющей место на больших глубинах, может только уменьшаться.

Рассмотрение идентичности динамики роста деформаций породы при увеличении трехосной напряженности и одновременно еще более значительно при увеличении температуры подтверждает обоснованность наших предположений.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2. Диаграмма «напряжения - деформации» для известняка:

1 - при боковом давлении 350 кГ/см2 и температуре 26°С;

2 - при боковом давлении 700 кГ/см2 и температуре 26°С;

3 - при боковом давлении 700 кГ/см2 и температуре 90°С

Названные результаты экспериментов, хоть они и только лабораторные, и вопреки мнению многих ученых о недопустимости сопоставления общности образцов и массива, приводят нас к двум существенным по практической значимости утверждениям.

Во - первых, на больших глубинах выбросы угля и газа действительно при сохранении современной технологии угледобычи должны прекращаться. Как это утверждалось и в [8] ранее, в первую очередь оно произойдет в лавах. Здесь зона отжима настолько возрастает [14], что при применении узкозахватной, односторонней выемки (но не струговой) разрушение полосы угля осуществляется в ее пределах и потому перераспределение напряжений не может сопровождаться выбросами. Исключение, вызванное по отношению к струговой выемке, серьезно, практически значимо, но заслуживает особого рассмотрения.

Сопоставление результатов последней и предпоследней серии экспериментов (уХ = уY = 700 кг/см2) вполне удовлетворительно подтверждает наше представление о двоякой значимости природной газоносности при разрушении во время разгрузки, особенно «охрупчивания». Несколько раз констатируется образование «вафлей», когда создавалось внутрипоровое давление флюидов, но ни разу даже не упоминается о них, когда оно не создавалось.

Приведенные результаты были известны нам давно, еще до высказывания гипотезы об уменьшении проявлений выбросоопасности при увеличении глубины разработки, в том числе в [8], но нам были неизвестны фактические результаты разработки месторождений на больших глубинах. Такие данные оказались в рассматриваемой монографии. И хоть глубины эти около 2000 м, но ни в коем случае не следует упускать из вида двух важнейших положений - «как бы деталей»: - различие по прочности (временному сопротивлению растяжению) пород примерно в 2 раза; - отсутствие (или наличие) водо - газовых растворов в порах пород, особенно размерами менее 10-7м (нанометры).

Вопросы о формах полостей, образующихся при ВВП. В монографии они не рассматриваются. Констатируется, что ВВП не происходят в «слабых породах» и предположительно объясняются двумя разновидностями причин, а происходят преимущественно при разработке руд различных металлов. Но на три особенности ВВП и полостей, которые при этом образуются, обратим внимание.

1. Они происходят только при выемке прочных пород буровзрывным способом, и только в той части выработок (тоннелей) которые уже были пройдены, т.е. при наличии движущегося забоя на некотором расстоянии от обнажений.

2. Разрушения тоннелей являются локальными и пристеночными (см. рис.3.1, 3.4 и д.р.). Это все - таки, во - первых результат, как правило, неоднократного перераспределения напряжений при выемки пород в очередном проходческом цикле. Во - вторых, ударная нагрузка от производства взрывных работ при неизменности величины заряда уменьшается.

3. Не зарегистрированы разрушения пород в направлении проведения выработок (тоннелей), что почти всегда имеет место при выбросах породы и газа. Оно придает образующимся при этом полостям форму, названную нами «причудливой», объясняющейся природной причудливостью распределения водогазовых смесей в материнских породах.

Наш отклик не является сугубо теоретическим по отношению к природе ВВП. Именно поэтому отдельные частные, может быть, недостаточно научно обоснованные положения, относящиеся и не имеющие существенного практического значения, не обсуждаются. Для этого нужны были бы основательные, фундаментальные научно - практические международные конференции.

Надеемся на полезность ознакомления с нашими замечаниями авторов монографии, отечественных и зарубежных специалистов.

Литература

тоннель бурение взрывание выброс

1. Николин В.И. Разработка выбросоопасных пластов на глубоких шахтах. -- Донецк: Донбасс. -- 1976. -- 184 с.

2. Степанович Г.Я., Николин В.И., Лысиков Б.А. Газодинамические явления при подготовке глубоких горизонтов. -- Донецк: Донбасс. -- 1970. -- 110 с.

3. Николин В.И., Заболотный А.Г., Лунев С.Г. Современные представления природы выбросоопасности и механизма выбросов как научная основа безопасности труда. -- Донецк: РИА ДонГТУ. -- 1999. -- 96 с.

4. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах склонных к внезапным выбросам угля, породы и газа. -- М.: Недра. -- 1977. -- 264 с.

5. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа. -- М.: ИГД им. Скочинского. -- 1989. -- 192 с.

6. Правила ведения горных работ на пластах склонных к газодинамическим явлениям. Стандарт Минуглепрома Украины. -- Киев, Минуглепром. -- 2005. -- 225 с.

7. Николин В.И., Балинченко И.И., Симонов А.А. Борьба с выбросами угля и газа в шахтах. -- М.: Недра. -- 1981. -- 300 с.

8. Забигайло В.Е., Николин В.И. Влияние катагенеза горных пород и метаморфизма углей на их выбросоопасность. -- Киев: Наукова думка. -- 1990. -- 168 с.

9. Деформации генетического возврата при разгрузке массивов / Николин В.И., Подкопаев С.В., Агафонов А.В. и др. // Изв.вузов Горный журнал. -- 2004. -- №1. -- с.51-56.

10. Снижение травматизма от проявлений горного давления / Николин В.И., Подкопаев С.В., Агафонов А.В. и др. // Донецк: Норд -- Пресс. -- 2005. -- 331 с.

11. Диплом на научную идею №А -- 297. Николин В.И., Подкопаев С.В., Агафонов А.В. и др. О связи деформаций генетического возврата напряженных горных пород с их влажностью / Сб.научных открытий. -- Вып.1 -- М.: 2004. -- с.41-43.

12. Николин В.И., Васильчук М.П. Прогнозирование и устранение выбросоопасности при разработке угольных месторождений. -- Липецк: Роскомпечать, 1977. 496 с.

13. Бузер Г.Д., Хиллер К.Х., Серденгекти С. Влияние поровой жидкости на деформационное поведение горных пород при трехосном сжатии // Механика горных пород. - М.: Недра. - 1966. - С.372 - 406.

14. Способ прогнозирования выбросоопасности призабойной части угольного пласта, учитывающий фактор времени // Уголь Украины, №1 - 2, 2009. / Николин В.И., Подкопаев С.В., Гончаров А.Д., и др.

Размещено на Allbest.ru