Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Подземная разработка практически всех калийных месторождений в мире осложняется газодинамическими явлениями. Внезапные выбросы соли и газа, обрушения пород кровли и разрушения пород почвы, сопровождающиеся газовыделениями, явления комбинированного типа и отжимы призабойной части пород - все эти явления несут угрозу жизни шахтеров, разрушают проходческое оборудование, нарушают проектные сечения выработок, а также ритмичность работы калийных рудников. Несмотря на опыт и знания, накопленные учеными и шахтерами, на данный момент проблема газодинамических явлений в калийных рудниках решена не до конца и требует самого пристального внимания горной науки и производства.
Решению проблемы газодинамических явлений в калийных рудниках были посвящены работы А.В. Андреева, С. С. Андрейко, М.М. Бея Л.В. Былино, В.Б. Вагина, Б.Ш. Винокура, В.И. Галкина, П.В. Долгова, С.Я. Жихарева, А.Н. Земскова, В.П. Зубова, О.В. Иванова, С.А. Константиновой, А.С. Кириченко, О.В. Ковалева, А.Е. Красноштейна, Н.Ф. Красюка, Б.В. Лаптева, B.C. Ливин-ского, Н.Г. Матвиенко, И.И. Медведева, В.В. Мещерякова, Р.С. Пермякова, Г.Д. Поляншюй, Н.М. Проскурякова, ІО.Г. Сиренко, А.Д. Смычника, А.Ю. Трофимова и других ученых. В шіх накоплен и обобщен обширный фактический материал, решены теоретические и практические задачи. Внедрение результатов выполненных исследований в практику ведения горных работ позволило уменьшить число газодинамических явлений в калийных рудниках.
Однако, несмотря на достигнутые успехи, практика ведения горных работ в калийных рудниках свидетельствует о том, что проблема газодішамических явлений и в настоящее время остается актуальной. Поэтому для повышения безопасности ведения горных работ требуются как дальнейшее изучение механизмов образования очагов газодинамических явлений, так и разработка методов прогнозирования и эффективных способов их предотвращения. Решению проблемы газодинамических явлений из почвы подготовительных горных выработок в подработанном соляном породном массиве посвящено относительно небольшое число научных работ. Между тем эта проблема актуальна как для рудников Старобинского месторождения, так и для рудников Верхнекамского месторождения. Данный вид газодинамических явлений в большей степени характерен для подготовительных выработок, проходимых в породах I калийного горизонта на руднике 1 РУ ОАО «Беларуськалий». Уникальность горнотехнической ситуации на этом горизонте в условиях шахтного поля рудника 1 РУ ОАО «Беларуськалий» состоит в том, что он на всей площади распространения подработан очистными горными работами на нижерасположенных II и III калийных горизонтах. С начала ведения горных работ на I калийном горизонте происходят газодинамических явлений в виде внезапных разрушений пород почвы горных выработок, сопровождающихся газовыделениями, результатами которых стали травмы горнорабочих, серьезные повреждения дорогостоящих проходческих комбайнов и длительные остановки работ по подготовке выемочных столбов к отработке. Кроме того, регулярно фиксируются газовыделе-
ния из пород почвы подготовительных выработок, что приводит к длительным остановкам горных работ.
Особенности условий возникновения и протекания внезапных разрушений пород почвы, сопровождающихся газовыделениями, при проходке подготовительных горных выработок в подработанном породном массиве I калийного горизонта не позволяют объяснить механизм образования очагов данных газодинамических явлений только на основании ранее полученных результатов, что в свою очередь требует научного обоснования методов прогнозирования и способов предотвращения этих опасных природных явлений.
Связь работы с крупными научными программами и темами.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами научных исследований Горного института УрО РАН, программами Президиума РАН: программа № 13 фундаментальных исследований Президиума РАН «Изменение окружающей среды и климата: природные катастрофы», тема «Изучение механизма воздействия на геологическую среду геодинамических процессов в газоносном массиве сложного тектонического строения»; тема "Провести исследования, определить участки шахтных полей, где необходимо применение дистанционного режима управления (включение и выключение) проходческим комбайном при проходке горных выработок выше V сильвинитового слоя на III калийном горизонте и оценить необходимость применения защитных мероприятий при ведении горных работ на I калийном горизонте рудника 1 РУ"; тема "Провести исследования, разработать и внедрить способы предотвращения внезапных разрушений пород почвы, сопровождающихся газовыделениями, для условий I калийного горизонта рудника 1 РУ"; тема «Провести исследования, обобщить данные и разработать нормативный документ, регламентирующий безопасное ведение горных работ на газоносных и выбросоопасных пластах Старобинского месторождения калийных солей». В выполнении научно-исследовательских работ автор принимал участие как исполнитель и ответственный исполнитель.
Цель работы - разработка метода прогнозирования и эффективного способа предотвращения газодинамических явлений из почвы при проходке подготовительных горных выработок в подработанном массиве соляных пород. Основная идея диссертационной работы. Очаги газодинамических явлений в соляном породном массиве I калийного горизонта имеют техногенное происхождение и приурочены к краевым частям мульд сдвижения, сформировавшихся в результате подработки, принудительная дегазация которых позволит эффективно предотвращать внезапные разрушения пород почвы горных выработок, сопровождающиеся газовыделениями.
Основные задачи работы:
выполнить анализ геологических и горнотехнических условий проявления газодинамических явлений при ведении горных работ в подработанном соляном породном массиве I калийного горизонта;
исследовать газоносность и газодинамические характеристики пород I калийного горизонта в различных условиях его подработки;
на основе анализа напряженно - деформированного состояния соляного массива I калийного горизонта выявить механизм формирования зон, опасных по газодинамическим явлениям;
разработать методику прогноза зон, опасных по газодинамическим явлениям из пород почвы подготовительных выработок;
- разработать способ предотвращения внезапных разрушений пород
почвы горных выработок, сопровождающихся газовыделениями, в подработан
ном соляном породном массиве I калийного горизонта.
Основные научные положения, выносимые на защиту;
-
Закономерности распределения свободных газов по геологическому разрезу I калийного горизонта в различных горнотехнических условиях его подработки, позволившие установить наличие техногенных газонасыщенных зон.
-
Очаги газодинамических явлений в подработанных породах I калийного горизонта представляют собой находящиеся в неустойчивом равновесии квазиизолированные системы газонаполненных трещин расслоения, которые образуются в зонах разгрузки от вертикальных напряжений в результате разрушений и расслоений по глинистым прослойкам и слоям и последующей фильтрации свободных газов из окружающего массива.
-
Локальное прогнозирование зон, опасных по газодинамическим явлениям из почвы, в условиях подработки I калийного горизонта, производится по характеристикам краевых частей мульд сдвижения, разделяющим области при-грузки от области разгрузки и ограничивающим со стороны выработанного пространства области возможных расслоений по глинистым прослойкам.
-
Предотвращение газодинамических явлений из почвы при проходке подготовительных горных выработок в подработанном породном массиве I калийного горизонта достигается снижением до безопасной величины газового давления в трещинах расслоения путем принудительной дегазации пород почвы с помощью дегазационных шпуров, бурение которых необходимо проводить непосредственно в процессе проходки выработки или заблаговременно.
Научная ношппа:
впервые изучены газоносность по свободным газам и газодинамические характеристики пород I калийного горизонта в различных горнотехнических условиях его подработки нижележащими калийными пластами;
разработан механизм формирования очагов газодинамических явлений в породах I калийного горизонта, представляющих собой квазиизолированные системы газонаполненных трещин расслоения;
установлены типичные горнотехнические ситуации подработки I калийного горизонта нижележащими калийными пластами, способствующие формированию зон, опасных по газодинамическим явлениям;
разработана методика прогнозирования газонасыщенных зон, в условиях подработки I калийного горизонта;
- разработаны способы предотвращения внезапных разрушений пород
почвы горных вьфаботок, основанные на снижении до безопасной величины
газового давления в трещинах расслоения путем принудительной дегазации по
род почвы с помощью дегазационных шпуров.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается;
корректной постановкой теоретических задач и строгостью применяемого математического аппарата;
сопоставимостью результатов теоретического решения и шахтных экспериментальных работ;
большой представительностью экспериментальных данных (более 80 исследовательских шпуров и скважин и более 500 замеров газоносности и начальной скорости газовыделения);
соответствием результатов прогнозирования газонасыщенных зон практике ведения горных работ;
положительными результатами опытно-промышленных испытаний способов предотвращения газодинамических явлений из почвы горных вьфаботок;
- включением результатов исследований в нормативные документы, рег
ламентирующие безопасное ведение горных работ в калийных рудниках.
Практическое значение результатов исследовании заключается в следующем:
разработана методика прогнозирования газонасыщенных зон для условий подработанного соляного породного массива I калийного горизонта и построены прогнозные карты газонасыщенных зон;
выявлены типовые горнотехнические ситуации, способствующие формированию зон, опасных по газодинамическим явлениям из почвы горных выработок;
- разработаны варианты способов предотвращения газодинамических
явлений из почвы горных выработок.
Реализация результатов работы.
Результаты исследования по предотвращению газодинамических явлений из почвы при проведении подготовительных горных вьфаботок в подработанном соляном породном массиве I калийного горизонта использованы в следующих отраслевых методических и нормативных документах, регламентирующих безопасное ведение горных работ в условиях калийных рудников РУП «ПО «Беларуськалий»:
-
Мероприятия по безопасной проходке подготовительных вьфаботок на Первом калийном горизонте рудника 1 РУ (гор. -200м) РУП «ПО «Беларуськалий» (утверждены 09.02.2005г.)
-
Рекомендации по безопасному ведению горных работ на Первом калийном горизонте (гор. -200м) рудника 1 РУ РУП «ПО «Беларуськалий» (утверждены 13.03.2007г.).
-
Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по газодинамическим явлениям (утверждена 10.04.2009г.).
Личным вклад автора заключается;
- в разработке методических решений по проведению шахтных и анали
тических исследований;
в проведении шахтных экспериментальных работ по изучению газоносности и газодинамических характеристик подработанного соляного породного массива;
в разработке механизма формирования газонасыщешшх зон в подработанном соляном породном массиве I калийного горизонта;
в разработке методики прогноза газонасыщенных зон и построении прогнозных карт;
в проведении шахтных экспериментальных работ по проверке зон возможных скоплений свободного газа в породах I калийного горизонта;
в разработке и опытно-промышленных испытаниях способа предотвращения газодинамических явлений из почвы горных выработок;
в теоретическом обобщении и обосновании защищаемых научных положений.
Апробация результатов диссертационной работы.
Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на международной научной конференции «Эколого-экономические проблемы освоения минерально-сырьевых ресурсов» (Пермь, 2005), на конференции «Геология и полезные ископаемые Западного Урала» (Пермь, 2006, 2007, 2008, 2009), на международной конференции «Демидовские чтения на Урале» (Екатеринбург, 2006), на I молодежной научно-практической конференции «Проблемы недропользования» (Екатеринбург, 2007), на конференции с участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (Новосибирск, 2007), на научных сессиях ГИ УрО РАН (Пермь, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011), на международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2010).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 20 научных работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Содержание работы изложено на 183 странице машинописного текста и содержит 59 рисунков, 10 таблиц, список использованной литературы состоит из 130 наименований.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность за помощь при проведении исследований и написании диссертации сотрудникам лаборатории геотехнологических процессов и рудничной газодинамики ГИ УрО РАН к.т.н. О.В. Иванову и к.т.н. СВ. Некрасову, сотрудникам лаборатории физических процессов освоения георесурсов ГИ УрО РАН к.т.н. В.Н. Токсарову, к.т.н. И.Л. Панькову за полезные замечания и консультации, а также работникам ОАО «Беларуськалий» В.Н. Чужову, СП. Вересневу и И.А. Подлесному за помощь при проведении шахтных экспериментальных работ.
:-;
