Управление Ростехнадзора по Калужской области

Некоторые аспекты физических процессов при производстве горных работ на соляных рудниках


Анализ более 200 случаев газодинамических явлений (ГДЯ) при отработке только сильвинитовых пластов за 20 лет на калийных рудниках Верхнекамского месторождения показывает их неравномерное количественное распределение в течение года: наибольшее — в зимний период, наименьшее — в летний. Автором было сделано предположение о влиянии на динамические процессы климата, так как региональное изменение газоносности и напряженности пород не может иметь сезонный характер. Установлено, что влажность рудничной атмосферы зависит от климата на поверхности, работы калориферной установки, длины вентиляционного пути, состава пород вокруг выработок. Количество влаги в рудничном воздухе в зимнее время минимально, в летнее — максимально.

В летний период в горных выработках от соприкосновения теплого воздуха с породой происходят конденсация и выпадение влаги, которая частично впитывается породой и скапливается в виде рассола на почве выработок. Влажность и температура рудничного воздуха, выходящего на поверхность из вентиляционных стволов, в течение года мало изменяются: сезонные колебания для влажности составляют не более 7 %, для температуры — 20 % (9–13 °С).

По данным многолетних наблюдений гидрометеослужбы в Березниковско-Соликамском районе (Верхнекамское месторождение калийных солей), наибольшая влажность атмосферного воздуха приходится на летний период с максимумом в июле, а наименьшая (разница в 6 раз) — на зимний. В летний период происходит насыщение приконтурных пород влагой за счет активной гигроскопичности солей и многочисленных глинистых прослойков, а в зимний — их осушение.

Сравнение с помощью регрессионного анализа числа ГДЯ по месяцам с влагосодержанием рудничного воздуха (рис. 1) выявило их тесную взаимосвязь: коэффициент парной корреляции составляет –0,95 при надежности 0,9. Аналогичная связь существует и для объемов породы, выброшенной при каждом ГДЯ. В банк данных были включены также случаи ГДЯ, зафиксированные на Старобинском месторождении калийных солей (Республика Беларусь).

На руднике Второго Березниковского калийного производственного рудоуправления (БКПРУ-2) зарегистрировано 17 ГДЯ из почвы выработок по пласту АБ. Как показывает анализ этих явлений, они приурочены к зимне-весеннему периоду (16 из 17) и происходят на расстоянии не более 2–2,5 км от воздухоподающего ствола в пространстве (16 из 17). Небезынтересен также тот факт, что наиболее интенсивно сероводород из горных пород выделяется весной. В этот период чаще всего фиксируется его присутствие в атмосфере выработок в объемах, превышающих предельно допустимые концентрации.

В целях доказательства влияния климатических параметров на степень выбросоопасности пород проведены сопоставления числа ГДЯ в различные периоды отработки шахтного поля БКПРУ-2. Анализировались случаи только по этому руднику ввиду большего числа ГДЯ на его шахтном поле и относительно малой изменчивости параметров горных работ за весь срок отработки.

По данным Н.Д. Лужецкой, климатические параметры вентиляционной струи изменяются на расстоянии 2–2,5 км от воздухоподающего ствола, после чего влажность и температура рудничного воздуха практически постоянны. Следовательно, влияние климатических параметров в выработках должно быть только в пределах этого расстояния от воздухоподающего ствола. На рис. 2 приведены зависимости распределения числа ГДЯ по месяцам на руднике БКПРУ-2 за весь период отработки шахтного поля и за период отработки части шахтного поля, находящегося в зоне изменяющегося рудничного климата. Нетрудно заметить согласованность в характере этих кривых, ежемесячно отличающихся примерно на одно и то же число явлений. Это число необходимо считать фоном, который возникает от воздействия горно-геологических и горнотехнических факторов, в том числе и в зоне изменяющегося климата, и постоянно сохраняется.

Для выявления степени влияния только климатических условий надо исключить этот фон из числа явлений, происшедших в указанной зоне. С этой целью первоначально определялся размер отработанной площади в пределах зоны, а затем устанавливалось среднее значение горно-геологического фона на равных отработанных площадях и вне их (см. рис. 2) .

Фон составил около трех явлений в месяц. Заштрихованная часть на графике выше линии фона показывает число явлений, инициированных климатическими условиями, а ниже — число явлений, которые, возможно, предотвращены этими условиями. Длительность воздействия климатических факторов в шахте как «профилактических мероприятий» по снижению выбросоопасности при остановленном забое увеличивается. Рудничная атмосфера главным образом способствует проявлению ГДЯ за счет снижения пластических свойств пород («охрупчивание») при их осушении (в зимний период). Зависимость объемов выбрасываемой при ГДЯ породы от климатических параметров подтверждает данную закономерность.

Аналогичные зависимости отмечаются на других месторождениях. Так, на Таштагольском железорудном месторождении в зонах с повышенной сейсмической активностью на зимний период приходится максимум динамических проявлений горного давления.

Автору не удалось дать научное обоснование полученной закономерности влияния климатических параметров на число и интенсивность ГДЯ, происходящих в большинстве случаев в призабойном пространстве, по прошествии не более 1 ч с момента обнажения приконтурных пород.

На стенках некоторых полостей от происшедших ГДЯ иногда наблюдались спиралевидные канавки. Возможно, разрушаемые породы из очага выбрасывались в виде закрученного вихревого потока, а отчасти благодаря ему. Можно предположить, что в механизме разрушения пород при ГДЯ действуют не только силы послойного отрыва под действием горного и газового давлений, теория которого разработана И.М. Петуховым (Петухов И.М., Линьков А.М. Механика горных ударов и выбросов. — М.: Недра, 1983. ), но и присутствует вихревой эффект, открытый Шаубергером, впоследствии получивший научное объяснение у Ю.П. Рассадкина ( Рассадкин Ю.П. Вода обыкновенная и необыкновенная. — М.: Галерея СТО, 2008. ). Автор предполагает, что именно этот эффект послужил одной из причин аварии на Саяно-Шушенской ГЭС, когда многотонную турбину выбросило в потоке воды в машинный зал. Возникает вопрос, возможен ли данный процесс не только в жидкой, но и в твердой или двухкомпонентной среде (твердая —газообразная), и какова его роль в газодинамических явлениях.

На стенках в «свежепройденных» механическим способом выработках наблюдается периодическое, примерно через 1,5 м, увлажнение стенок, сопровождаемое выделением газа в незначительных количествах, которое горняки называют «шептунами». Из пород выделяется так называемый «маточный» внутрипластовый рассол. Возможно, подобная регулярная увлажненность стенок объясняется распределением вдоль выработок механических напряжений, которые получили термин «волны Вебера». Прямых натурных исследований распределения напряжений вдоль выработок автор не производил. К сожалению, при математическом моделировании и моделировании на эквивалентных материалах подобные явления также не были обнаружены.

По данным натурных исследований напряженно-деформированного состояния приконтурных пород в калийных рудниках, проведенных автором с помощью комплекса методов, в междуштрековых и междукамерных целиках и в стенках одиночных выработок существует волнообразное распределение напряжений. Первый максимум напряжений, как правило, находится на расстоянии 0,5 м от обнажения с коэффициентом концентрации до 1,5γ H , второй — на расстоянии 0,5–1 диаметра выработки с коэффициентом до 2,5γ H . Оба максимума в течение времени могут незначительно мигрировать в пространстве и иногда сливаться в единую кривую. Как подобные явления происходят вдоль выработок, какие возможные зоны нагрузок или разгрузок формируются при этом, остается не выявленным.

Автор на БКПРУ-2 принимал участие в измерении напряженно-деформированного состояния, температуры пород и давления свободного газа в породах в районе движущегося забоя. Выработка проводилась комбайном, станция наблюдений располагалась в соседней выработке.

Было получено, что впереди забоя, на расстоянии, равном диаметру (ширине) выработки, формируется максимум нагрузок, за линией забоя возрастает давление свободного газа в зонах растяжения пород кровли. Высокочувствительным термометром зарегистрировано повышение температуры пород в зоне максимума нагрузок на 1 °C, что для соляных пород, обладающих повышенной теплопроводностью до 10 Вт/(м•K), труднообъяснимо. Можно предположить, что повышение температуры пород вызвано квазирезонансными явлениями при упругих колебаниях частиц кристаллической решетки, так как в соляных породах преобладает, согласно квантовой теории, фононная теплопроводность.

Известно, что первопричина многих динамических явлений, а также других форм нарушения устойчивости выработок — деформации упругого восстановления горных пород, возникающие при образовании обнажений в породном массиве. Для различных материалов существует эффект Баушингера, сущность которого заключается в том, что если после сжатия, сопровождающегося пластическим деформированием материал подвергнуть деформациям растяжения, то предел упругости уменьшается — материал становится как бы более хрупким, снижается его сопротивляемость нагрузкам.

Эффект упругого последействия и обратной ползучести в соляных породах исследовался в шахтах с использованием 8-точечного скважинного деформометра ДП-9М2 и тензостанции ИИД-2А конструкции ИГД СО АН РФ. Упругое последействие (запаздывание части упругих деформаций) — это деформация разгрузки, протекающая в течение некоторого времени после снятия нагрузки. Склонность пород, находившихся длительное время под нагрузкой и при этом не упруго деформировавшихся, к деформациям обратной ползучести (возврата) при разгрузке проявляется в результате существования в них своеобразной «памяти» о действовавших ранее нагрузках.

Было зафиксировано явление увеличения диаметра скважин через некоторый промежуток времени. По воспоминаниям Н.Ф. Массагутова, однажды в помещении геологического отдела БКПРУ-1 разлетелся на мелкие куски керн из карналлитовой породы диаметром 250 см и высотой около 1 м без внешних воздействий на него. Как карналлитовая порода, обладающая высокой релаксационной способностью и склонностью к пластическим деформациям при малых скоростях нагружения, может проявлять в ряде случаев подобные уникальные свойства?

Таким образом, на основании натурных и визуальных исследований установлено, что соляные породы, обладающие высокой пластичностью и релаксационной способностью при малых скоростях нагружения, а при высоких — хрупкостью, склонны к накоплению потенциальной упругой энергии, концентрации механических напряжений в локальных точках, которые могут мигрировать и распределяться неравномерно как вдоль стенок выработок, так и в охранных целиках. Влажность рудничного воздуха, согласно статистическим показателям, оказывает практически «мгновенное» воздействие на физико-механические свойства соляных пород. Соляные породы обладают хорошей «памятью» и способны под нагрузкой выделять тепловую энергию. Установление природы указанных физических явлений позволит решить многие вопросы безопасной эксплуатации подземных выработок на соляных рудниках.

Б.В. Лаптев, д-р техн. наук, ст. науч. Сотрудник (ЗАО НТЦ ПБ)