Гликман А.Г.
Опять произошло обрушение пород кровли в руднике, и погиблилюди. На этот раз, в Норильске.
Если посмотреть в интернете на поисковике, то можноувидеть, что беда эта происходит в подземном пространстве регулярно инеотвратимо, во всех точках Земли, независимо от уровня техники и исполненияправил техники безопасности. По статистике, при ведении подземных работ по этойпричине происходит 50% травматизма. Потому обрушение и называется внезапным,что люди смирились с тем, что спрогнозировать его нельзя.
Впрочем, не совсем так…
В Горно-технологической лаборатории Горного факультетаЛенинградского горного института (ЛГИ) с 1977-го до 1993-го года проводиласьнаучно-исследовательская работа (НИР) по созданию аппаратуры и методикипрогнозирования обрушения пород кровли в угольных шахтах. Вообще говоря, такая жеНИР перманентно проводится во всех горняцких НИИ во всем Мире, но ссылаться наних никто не будет, так как успехов там нет, и, как мне кажется, непредвидится. В ЛГИ же произошло несколько иначе.
Там в 1977-м году родился, на правах незаконнорожденного,новый геофизический метод, с помощью которого оказалось возможным обнаруживатьповерхности потенциального и/или фактического расслоения углевмещающих пород.Угленосная породная толща — принципиально слоистая среда, и, надо полагать,немалую роль в поведении этой толщи играет прочность контакта(«склеивания») соседних слоев. И действительно, использование нового(получившего в дальнейшем название спектрально-сейсморазведочного) метода приисследовании горных пород, залегающих в кровле угольного пласта, позволиловыявить закономерности, которые сейчас нам кажутся, как говорят, тупоочевидными, но тогда, 25 лет назад — неожиданными, и даже парадоксальными. Так,нам удалось установить, что обрушению пород кровли предшествует их расслоение.Или, иначе говоря, пока породы не расслоятся, обрушения не будет. А если мы спомощью метода ССП (спектрально-сейсморазведочного профилирования) можемсказать, где именно идет расслоение, то, по-видимому, следует говорить опрогнозе обрушения пород.
В самом деле, если вам сообщат, что у вас над головой,скажем, полуметровый породный слой не имеет сцепления с вышележащими породами,то вы на основании этого уже можете принять решение — подкрепить ли кровлю вданном месте, обрушить ли этот слой или просто оградить опасное пространство.То есть, обрушение перестало быть внезапным.
Этот подход проверялся шахтными геологами лет пять, послечего, по их требованию (!), началось массовое производство аппаратуры,реализующей его. Аппаратура получила название «Резонанс», и к 1993-мугоду ею пользовались уже во всех угольных регионах СССР.
Для справки, сообщу следующее. Передо мной «памяткашахтеру», представленная американской угольной наукой в 1990 году навыставку «Уголь-90», проходившую в Донецке. Там рекомендуется шахтерупостоянно оценивать устойчивость кровли следующим способом. Прижав левую руку ккровле, правой рукой наносить удары молотком по кровле на расстоянии примерно 1метра. Если левой рукой мы не ощутим вибрации от удара, значит, кровля прочная.Увы, этот способ не уменьшил статистики травматизма от обрушения пород кровли.У нас же на шахтах, использовавших аппаратуру «Резонанс», внезапногообрушения уже быть не могло.
Нельзя сказать, что работа над физикой этого метода ивнедрение аппаратуры «Резонанс» были безоблачными. Известно ведь, чтоесли вы сделаете хотя бы один самостоятельный шаг в науке, то вас немедленнопостараются заставить шагнуть обратно. Здесь же мне пришлось бы долго шагатьназад. Первый шаг — это обнаружение нового, ранее неизвестного физического эффекта.Эффект этот был обнаружен еще в 1977 году и заключался в том, что породный слойпроявляет свойства колебательной системы, собственная частота которойоднозначно связана с толщиной (мощностью) этого слоя. А дальше от нас уженичего не зависело. Дело в том, что, в соответствии с законами методологии,новый физический эффект обязательно становится основой новогоисследовательского метода (каковым и стал метод ССП). Далее, согласно законамметодологии, метод, основанный на новом физическом эффекте, обязательностановится источником принципиально новой информации. Вот как раз первая порцияэтой информации и позволила нам подойти к решению проблемы прогнозированияустойчивости кровли в угольных шахтах.
Принципиальная новизна заключалась в том, что с помощьюнаших измерений выявлялись поверхности, по которым может идти или уже идетрасслоение. Поверхности эти другими методами не идентифицируются1. В большинстве случаев, эти поверхности ОМК формировалисьсверхтонкими углистыми прослоями, которые, оказывая решающее влияние наустойчивость кровли, не выявлялись не только геофизикой, но даже и при разведочномбурении. При выбуривании, керн в тех местах, где он пересекает углистыйпрослой, ломается, а сам углистый материал вымывается промывочной жидкостью, неоставляя никаких следов.
С 1993 года по независящим от нас причинам мы в угольнойнауке не работали. Как в дальнейшем оказалось, именно этот момент позволил намразобраться с одним очень существенным явлением.
Дело в том, что, занимаясь прогнозированием обрушения породкровли с помощью аппаратуры «Резонанс», мы иногда встречались сослучаем, когда кровля, сложенная прочным песчаником большой мощности, приполном отсутствии в нем поверхностей ОМК, тем не менее, оказываетсянеустойчивой. Песчаник при этом высыпается, будучи разбитым как бы на плиточки.Каждая плиточка в отдельности очень прочна, и до причин такого разрушения стольпрочного материала мы тогда так и не додумались.
Это был очень крупный камень в наш огород, так как еслиметод, предназначенный для сохранения жизни людей, пусть и очень редко, номожет дать неправильную информацию об устойчивости кровли, причем, в сторону еезавышения относительно реальной, то это может иметь катастрофическиепоследствия.
С тех пор прошло 10 лет. За это время приведенные вышезаконы методологии проявили себя в полной мере. Применяемый нами с поверхности(поскольку в шахтах мы работать в течение этого периода не могли) метод ССПоказался действительно неиссякаемым источником информации о строении исвойствах земной толщи. В частности, нам удалось обнаружить фактор, из-закоторого происходят необъяснимые разрушения инженерных сооружений. Но и здесьполучилось так, что результаты наших исследований противоречили устоявшимсявзглядам.
Во-первых, оказалось, что основным геологическим объектом,подлежащим выявлению с помощью метода ССП, являются тектонические нарушения.Первоначально, когда мы это поняли, особого удовлетворения никто не испытал,потому что, если обратиться к геологической и геофизической литературе, тооттуда можно узнать, что практически все известные геофизические игеологические методы претендуют на то, что с их помощью эти геологическиеобъекты выявляются. Однако когда мы стали исследовать зоны тектоническихнарушений, то оказалось, что свойства их радикальным образом отличаются от тех,которые им приписывались до сих пор.
Так, согласно учебной, научной и нормативной литературе,при достаточно большой мощности осадочного чехла тектонические нарушения неоказывают никакого влияния на инженерные сооружения. Вместе с тем, согласнорезультатам, полученным с помощью метода ССП, оказалось, что внезапныеразрушения инженерных сооружений2происходят практически всегда в зонах тектонических нарушений. Многие сотниизмерений, сделанные нами с помощью метода ССП, однозначно доказывают, что привсех существующих мощностях осадочного чехла (во всяком случае, до 8000 м)горные породы в зонах тектонических нарушений обладают вполне определеннымисвойствами, о которых никто никогда даже и не предполагал.
Строго говоря, горные породы, находящиеся непосредственнонад разрывным тектоническим нарушением, на всю мощность осадочного чехла ипородами-то назвать нельзя. О состоянии их можно судить хотя бы потому, что припопадании разведочной скважины в эту зону, керн взять не удается, настолько ониразрушены. Дело в том, что на всю толщу осадочного чехла геологический материалв зонах тектонических нарушений не слеживается в породу, поскольку частицыэтого материала находятся в постоянном микроперемещении сверху вниз, участвуя вбесконечном процессе залечивания пород кристаллического фундамента,находящегося в разрушенном состоянии.
Более того, как оказалось доказанным учеными ИнститутаГорного дела УрАН (отделом прогнозирования техногенных катастроф, igd.uran.ru/geomech/articles/sad_005/index.htm), породы в пределах зон тектонических нарушений находятсяв состоянии постоянной пульсации.
Все вместе, это объясняет физику разрушения инженерныхсооружений в зонах тектонических нарушений. Причем независимо от того,находятся ли эти сооружения на поверхности или в подземном пространстве.
Что касается подземного пространства, то летом нынешнего,2003 года нами был осуществлен эксперимент по оценке горно-геологическойситуации в угольной шахте с помощью метода ССП при профилировании поповерхности, в пределах шахтного поля. Измерения проводились на поле шахты,испытывавшей в течение последних месяцев серьезные затруднения при веденииочистных работ. Эти затруднения заключались в повышенном вывалообразовании породкровли. Профили ССП проходили над выработками через участки, где имели местоосложнения.
Шахта находится в Кузбассе, разрабатывает свиту пластов спологим (10-150) залеганием угольных пластов, с добычей 3,5миллионов тонн угля в год3.
Одним из условий эксперимента было полное отсутствие у наскакой бы то ни было информации о том, где, над какими выработками проходил профиль,и в каких выработках наблюдались те или иные осложнения. Это очень важныймомент, так как в большинстве, проводившиеся геофизические исследованиязаключаются именно в том, чтобы, раздобыв всеми правдами и неправдамигеологическую информацию, представить ее как полученную с помощью геофизики.
Анализ результатов проведенных исследований показал, чтовсе зоны, в которых были зафиксированы осложнения подземных работ, проявилисьна ССП-разрезах. При этом, и это, на мой взгляд, самое главное, была выявленазона, осложнение в которой было неизвестно представителям шахты, руководившимописываемым экспериментом.
Надо сказать, что при прогнозировании горно-геологическойситуации в выработках угольной шахты путем профилирования с дневной поверхностиимеет место некоторая неопределенность. Выявив с помощью метода ССП зонутектонического нарушения, мы можем с уверенностью сказать, эта зона являетсятакже и зоной осложнения горно-геологической ситуации. Однако в чем заключаетсяэто осложнение, сказать нельзя. Это, например, может выражаться повышениемвывалообразования, а может, и повышенной податливостью почвы. Зависеть этобудет от того, какими породами сложены кровля и почва выработок.
При проведении подобных работ на поле рудника, когда рудноетело залегает в породах кристаллического фундамента, такой неопределенности невозникает. Там любая зона осложнения проявляется повышенным вывалообразованием.
На основании полученных результатов, в настоящее времяможно сделать следующие выводы:
Применяя для угольных шахт современную модификациюаппаратуры «Резонанс» совместно с использованием метода ССП споверхности, может быть решена проблема оценки горно-геологической ситуации вподземных выработках и заблаговременного выявления тектонических нарушений;
Применение метода ССП может решить проблему оценки ипрогнозирования зон потенциального вывалообразования не только в угольныхшахтах, но также и в рудниках.
Список литературы
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта www.newgeophys.spb.ru/