VIII.1.2. Методика прогнозирования устойчивости кровли
Обрушение пород кровли может идти в виде отдельных вывалов, послойного обрушения, беспорядочного высыпания и т.д. Нельзя не отметить, что действительно внезапное, неожиданное обрушение пород кровли с тяжелыми последствиями, как правило, происходит там, где породы наиболее прочны. Это обусловлено экономическими факторами. Дело в том, что одинаково плотно и надежно крепить всю кровлю в шахте экономически немыслимо. Поэтому в ряде случаев, когда в кровле залегают наиболее прочные породы, выработки крепят менее тщательно, чем там, где кровля представлена менее прочными породами.
Реализованная нами идея прогнозирования устойчивости кровли возникла следующим образом.
В 1977 году начал формироваться подход, позволяющий определять поверхности ОМК с помощью спектрально - акустических измерений непосредственно из подземной выработки. Если быть точным, то мы тогда еще не понимали свойств выявляемых границ в породах кровли, и считали, что они соответствуют границам между различными литотипами. И действительно, первые несколько измерений, сделанные в различных геологических условиях, показали хорошую сходимость именно с геологической информацией.
Поиски различных геологических условий привели нас в один из очистных забоев шахты "3-бис" объединения "Торезантрацит" (Донбасс). Так сложилось, что однажды мы проводили измерения в новом забое, где еще не произошло первичное обрушение кровли. В кровле залегал весьма прочный песчаник, мощность которого, по данным разведочных скважин, достигала 30 м. Это очень тяжелые условия работы, так как песчаник такой мощности обрушается большими площадями, и весьма бурно. В условиях индивидуальной крепи, которая тогда применялась в этом забое, первичное обрушение подобных пород может сопровождаться опрокидыванием крепи и даже гибелью работающих там шахтеров.
Мне очень повезло, что это обрушение, которого ждали уже несколько дней, произошло в то время, когда мы проводили там свои измерения. Дело в том, что обрушилась только часть кровли забоя. Анализ результатов наших измерений показал, что обрушение произошло только там, где более четкими были поверхности ОМК. Дальнейшее наблюдение за этим забоем в течение еще двух недель показало, что процесс обрушения связан с изменением (увеличением) четкости выявляемых нами поверхностей ОМК.
Дальнейшее логическое построение было элементарным.
Извлекая при добычных или проходческих работах угольный пласт, мы тем самым оставляем кровлю без опоры, вследствие чего слоистые породы кровли начинают провисать под собственным весом. Провисание пород определяется их слоистостью, и сопровождается процессом расслоения. В силу отсутствия упругих свойств у горных пород, никакого упругого прогиба слоев при этом не происходит, а провисание их определяется накоплением микронарушенности. Скорость этого процесса, завершающегося обрушением пород кровли, при прочих равных условиях определяется толщинами (мощностями) отдельных слоев, а также величиной пролета образовавшегося породного моста.
То есть прежде, чем обрушиться, породы кровли должны расслоиться. Расслоение идет не где угодно, а лишь по поверхностям ослабленного механического контакта (ОМК). Поверхности ОМК сформированы залегающими в породах кровли углистыми, мергелистыми, слюдяными прослоями, а также поверхностями скольжения.
Как оказалось, прочностные характеристики пород здесь играют далеко не самую важную роль. Так, породы кровли, представленные прочными песчаниками, мелко переслоенными сверхтонкими углистыми прослоями, будут более склонны к обрушению, чем однородный аргиллит малой прочности, но достаточной мощности. Таким образом, оценить устойчивость кровли было бы вполне реально, если иметь возможность определять местонахождение залегающих в кровле поверхностей ОМК.
В самом деле, прежде чем обрушиться, породы кровли должны сначала отслоиться от вышележащих пород. Следовательно, имея возможность наблюдать процесс отслоения нижнего породного слоя, можно делать предположение об увеличении вероятности обрушения пород кровли. Кроме того, зная глубину залегания основных поверхностей ОМК, можно заранее ожидать, какая мощность породного слоя готова к обрушению, а это очень важная технологическая информация, так как позволяет выбирать метод поддержания выработки.
Дальнейшие, уже достаточно массовые исследования в этом направлении показали, что поверхности ОМК чаще всего формируются углистыми прослоями, и именно они определяют устойчивость кровли.
Поворотным моментом в судьбе методики «Резонанс» (так называлась аппаратура и методика определения устойчивости кровли с помощью спектрально-акустических измерений) стал конфликт с руководством шахты "Распадская". Суть его в следующем.
Профилирование вдоль штрека 5а-6-8 осуществлялось исключительно для калибровки аппаратуры «Резонанс». Дело в том, что по данным разведочного бурения (скважина выходит непосредственно в штрек вблизи точки начала нашего профиля) в кровле залегает прочный мелкозернистый песчаник мощностью 10 м. На основании этого кровля на протяжении всего штрека была признана весьма устойчивой. А следовательно, практически не требующей крепления. Крепь, конечно, стояла, но, что называется, для проформы.
Как видно из рис. VIII.1, действительно, вблизи начала профиля присутствует четкая граница на глубине 10 м.
Рис. VIII.1
Однако гораздо более ярко проявляются поверхности ОМК, находящиеся на меньших глубинах. Совершенно очевидно, что устойчивость кровли будет определяться не песчаником 10-метровой толщины, а именно этими, неглубоко находящимися границами. При бурении эти границы выявлены не были и, как потом и оказалось, обусловлены они сверхтонкими углистыми прослоями. В результате, получается, что нижние 0.5 м, представленные прочным песчаником, создают видимость высокой устойчивости кровли в целом, а на самом деле это впечатление очень обманчиво, и при малейших сотрясениях или подвижках произойдет обрушение этого хрупкого слоеного пирога 5-метровой толщины и более.
Естественно, что для того, чтобы заставить руководство шахты закрепить этот штрек, нам пришлось пойти на конфликт. Однако при приближении к этому штреку фронта очистных работ на участке, где песчаник был пронизан углистыми прослоями, кровля обрушилась, и избежать травматизма удалось исключительно благодаря вовремя возведенной крепи.
Можно считать, что именно с этого времени (это был 1982 год) началось практически всесоюзное внедрение методики "Резонанс".
Обрушение пород кровли в выработанное пространство - это конечный этап разрушения пород, которое начинается с провисания нижнего слоя. Затем провисает следующий слой, для которого нижний в результате провисания перестал быть опорой. Процесс отслоения и провисания идет снизу вверх со скоростью, определяемой толщинами провисающих породных слоев. Однако если провисающие слои ложатся на нижележащие, уже отслоившиеся, то это способствует ускорению разрушения пород кровли в целом. Все эти процессы в отдельности и вместе наблюдались в результате длительных измерений в одном и том же месте штрека, от момента его проходки и до погашения ([21]).
Анализ этой работы показал, что объективная и надежная оценка устойчивости кровли может быть осуществлена при условии многократного применения метода ССП. Тогда становится возможным наблюдение процесса разрушения пород во времени и экстраполяция этого процесса в перспективу, что, собственно, и является прогнозированием.
Аппаратура "Резонанс" изготавливалась донецким кооперативом "Искра" в промышленных объемах и эксплуатировалась во всех угольных регионах СССР. Использование этой аппаратуры показало, что обрушение пород кровли перестало быть внезапным. Это была прекрасная проверка предложенной выше идеи прогнозирования устойчивости кровли. Однако в настоящее время, к сожалению, использование этой аппаратуры если и продолжается, то только на одной шахте - "Распадской". Этому способствовало несколько факторов. Во-первых, за эксплуатацию аппаратуры должны отвечать и платить шахты, тогда как за травмированных и убитых шахтеров платит государство. Так что для шахт эксплуатация методики "Резонанс" оказалась экономически невыгодной. А во-вторых, в стране существует множество Институтов горного дела, одна из главных задач для которых - разработка прогнозирования устойчивости кровли. На сегодняшний (авг-02) день могу сказать с уверенностью, что уровень их остался тот же, что и до начала нашей разработки.
