ИЗВЕСТИЯ ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

Рассматривается проблема обеспечения устойчивости и надежности работы подземных дегазационных скважин. Актуальность исследования обусловлена усложнением горно-геологических условий добычи угля, в частности, увеличением глубины разработки и газоносности пластов. Авторы подчеркивают недостаточность существующих нормативных документов в части обеспечения устойчивости скважин, указывая на преждевременный выход из строя до 30% дегазационных скважин. Целью работы является развитие научных основ, обеспечивающих долговечность и надежность скважин. Рассматриваются деформационные процессы в углепородном массиве, вмещающем скважины, учитывается нелинейность аэрогазового режима в подрабатываемых скважинах. Анализируются факторы, влияющие на устойчивость скважин, включая горное давление, деформации пород и процессы зональной дезинтеграции массива. Для обеспечения надежности скважин предлагается комплекс мероприятий, направленных на повышение их устойчивости, в частности, совершенствование крепления обсадных труб.

Современные технологии отработки запасов полезных ископаемых подземным способом неизбежно связаны с применением средств механизации горных работ. К таким средствам механизации относятся конвейерные линии, самоходное дизельное и электрическое оборудование, а также рельсовый транспорт. Увеличение объемов добычи полезного ископаемого приводит к необходимости вовлечения в отработку новых запасов месторождений, которые зачастую вскрываются с помощью наклонных выработок от существующих участков. Кроме того, существует большое количество пологопадающих месторождений, где значительная часть горных выработок имеют соответствующий угол наклона. Применение значительного количества техники на горных предприятиях, осуществляющих движение по наклонным горным выработкам, неизбежно приводит к увеличению риска возникновения аварийных ситуаций, связанных с возгоранием данной техники. С точки зрения прогнозирования аварийных ситуаций на шахтах и рудниках наиболее опасными ситуациями являются случаи наличия возгорания в наклонных выработках с нисходящим движением воздуха. Наличие значительной мощности источника тепловыделения может привести к нарушению устойчивости проветривания данной выработки вплоть до изменения направления движения воздуха и как следствие значительно расширить зоны распространения продуктов горения по шахтной вентиляционной сети. Данный риск развития аварийной ситуации необходимо оценивать с помощью специализированных программно-вычислительных комплексов для конкретных условий каждого горного предприятия в соответствии с требованиями Федеральных норм и правил. Однако, требованиями правил безопасности не регламентируются единый подход к расчету действия тепловой депрессии при пожаре на устойчивость проветривания, в связи с чем в настоящее время исследования по данному направлению во всем мире продолжаются. Настоящая работа продолжает цикл исследований устойчивости проветривания горных выработок при пожарах на физических моделях. В ней рассмотрен вопрос экспериментального исследования пространственной неоднородности полей скорости и температуры воздуха, возникающих под действием тепловой депрессии в наклонных выработках с нисходящим движением воздуха, в режимах запирания воздушного потока (эффекта «тепловой пробки»), а также изменения направления движения вентиляционной струи. Определена зависимость требуемой мощности источника нагрева от угла наклона выработки с нисходящим движением воздуха в диапазоне от 0 до -15°, при которой наблюдается запирания воздушного потока, а также изменение направления движения воздуха.

Современные угледобывающие районы юга Кузбасса представлены промышленными комплексами предприятий как открытой, так и подземной геотехнологии, осваивающими лицензионные участки в непосредственной близости. В некоторых случаях открытые и подземные горные выработки расположены друг под другом. Изменение естественного рельефа поверхности, формирование открытых горных выработок, породных отвалов, применение массовых взрывов на открытых горных работах приводит к изменению геомеханического, геодинамического и сейсмического состояния геомассива вблизи горных работ. Актуальной научно-практической проблемой является необходимость повышения безопасности подземных горных работ предприятий подземной угледобычи с учетом сочетания ряда негативных факторов, влияющих на изменение параметров геомеханического и геодинамического состояния массива горных пород в окрестности системы подземных очистных и подготовительных выработок при подготовке и отработке выемочных столбов в под в непосредственной близости от объектов открытых горных работ. При ведении открытых горных работ вскрышние породы складируются в отвалы, которые изменяют состояние геомассива за счет его пригрузки. В современной горной практике такая пригрузка геомассива не учитывается при проведении подготовительных горных выработок под участками открытых горных работ. В работе предложен методический подход, позволяющий оценить влияние горных работ по добыче угля открытым способом (открытые горные выработки, сформированные отвалы вскрышных пород) без учета взрывных работ на геомеханическое состояние подземных горных выработок, пройденных в непосредственной близости. В работе, на примере результатов численного математического моделирования напряженно-деформируемого состояния геомассива, проанализировано геомеханическое состояние подземных горных выработок в условиях пригрузки сформированного породного отвала на поверхности. Установлено, что для условий действующей системы подготовительных выработок, расположенных под породним отвалом разреза на глубине более 600 м при отсутствии технологических взрывов существенно не снижается уровень промышленной безопасности и дополнительные мероприятия по профилактике опасных производственных ситуаций не требуется. Однако, в условиях уменьшения глубины ведения горных работ под разрезом прогнозируется существенное снижение уровня промышленной безопасности в связи с изменением геомеханических параметров геомассива в зонах пригрузки породных отвалов.

Рассматривается вопрос исследования закономерностей движения облака выхлопных газов в сквозных выработках, проветриваемых за счет общешахтной депрессии. Существующие требования Федеральных норм и правил «Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых» регламентируют предельно-допустимые концентрации ядовитых газов, которые могут содержаться в рудничном воздухе. С этой целью выполняются измерения концентраций оксида углерода и оксидов азота, содержащихся в неразбавленных пробах выхлопных газов лабораторными методами специализированными лабораториями. Однако, получить данные о величине газовыделений от техники с двигателями внутреннего сгорания можно также экспресс-методами в условиях горных выработок, проветриваемых как за счет общешахтной депрессии, так и вентиляторами местного проветривания. Порядок измерений ядовитых газов регламентируются соответствующими методиками измерений, но вопрос о том какое расстояние необходимо отступать от техники для определения места замера не регламентирован. Данные исследования направлены на определение скорости процесса осреднения концентрации ядовитых газов в условиях сквозных выработок, проветриваемых за счет общешахтной депрессии, с целью определения необходимого расстояния от техники с применением методов численного трехмерного моделирования. В рамках данной работы проведены экспериментальные распределения концентрации диоксида азота, образующегося при работе вспомогательной техники с двигателем внутреннего сгорания типа Крот. Исследования выполнены на одном из рудников ведущих отработку Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей в условиях сквозной горной выработки, проветриваемой за счет общешахтной депрессии свежей струей воздуха.

Обосновывается важность определения границ зоны газового дренирования угольного пласта и газосодержания в призабойной его части, как с позиции газовой, так и газодинамической опасности при ведении горных работ. Представлен подход к количественной оценке границ зоны газового дренирования угольного пласта в призабойной части подготовительной выработки, основанный на экспериментальных данных. Согласно выполненным замерам протяженность зоны пониженного газового давления в остановленной подготовительной выработке на экспериментальном участке может достигнуть 18 м, что значительно превышает зону механической разгрузки и зону опорного давления.

Рассмотрены результаты адаптации текущего способа прогноза выбросоопасности по начальной скорости газовыделения из шпуров при проведении подготовительных выработок по выбросоопасным породам в условиях рудника «Интернациональный» АК АЛРОСА (ПАО). Определены ошибки первого и второго рода при прогнозировании выбросоопасных зон, установлена закономерность естественной дегазации (разгрузки) массива призабойной части выработок, проводимых буровзрывным способом.

Исследована структура закладочных композитов, армированных волокнами микрофибры базальтовой наномодифицированной (МБМ), хризотилового асбеста и частицами резинового порошка (отход переработки изношенных шин). В каждом случае методом ртутной порометрии определены общий объем интрузии ртути; общая площадь поверхности пор; средний диаметр пор; кажущаяся плотность; процент пористости образцов. Влияния количества армирующего материала на пористость закладочных композитов изучено на образцах с волокнами МБМ. Установлены зависимости относительных изменений прочности композитов от их пористости. Доказано, что с точки зрения структуры закладочных композитов оптимальная доля армировочных волокон составляет 3 % от массы вяжущего, или 0,422 % от массы твердеющей смеси. Эта концентрация соответствует максимальной прочности образцов.

Приводится анализ методов контроля качества эмульсионных взрывчатых веществ. При этом акцентируется внимание на то, что традиционные методы оценки качества актуальны для разрабатываемых взрывчатых веществ, а также проведения периодических и контрольных испытаний, проводимых в лабораторных и полигонных условиях, тогда как для оценки качества заряда из водоустойчивых взрывчатых веществ требуется разработка дополнительных методов контроля качества.

Представлены результаты экспериментального исследования влияния удаления сейсмоприемника от забоя выработки на спектр акустического излучения комбайна в различные этапы его работы в период между остановкой для крепления бортов подготовительной выработки. Регистрация акустического излучения осуществлялась шестью трехкомпонентными сейсмоприемниками, входящими в комплект аппаратуры «Микон-ГЕО». Показано, что это влияние обусловлено в основном тремя причинами: зависимостью коэффициента затухания звука от частоты гармоник, из которых состоит спектр «шума», и от напряженного состояния массива; интерференцией излучаемых волн, имеющих различную скорость распространения; наличием в выработке помимо комбайна других работающих механизмов, излучающих акустические колебания, которые накладываются на акустические волны, излучаемые комбайном. По мере удаления сейсмоприемника от рабочего органа комбайна интерференция волн приводит к колебательному характеру амплитуд спектра, а зависимость коэффициента затухания звука от частоты приводит к завалу спектра в области высоких частот. Это влияет на достоверность прогноза геодинамических явлений, основанного на спектральном анализе шума работающего оборудования. Для снижения этого влияния предложено переносить сейсмоприемник не реже чем через 10…15 м ухода забоя от момента установки сейсмоприемника.

Приведены результаты начального этапа адаптации аппаратнопрограммного комплекса «Микон-ГЕО» для текущего прогноза геодинамических явлений (ГДЯ) в подготовительных выработках угольных шахт на основе спектрального анализа «шума» работающего оборудования. Апробированы алгоритмы определения показателей опасности в форме отношения амплитуд высокочастотной и низкочастотной частей спектра акустического излучения (шума) работающего комбайна и медианы спектра шума. Установлено, что по мере удаления сейсмоприемников от забоя выработки чувствительность опасности ГДЯ методами прогноза, основанными на отношении амплитуд высокочастотной и низкочастотной составляющих спектра, колеблется от 33 до 100 %. Колебательный характер может быть объяснен как интерференцией различных типов волн, так и особенностями установки сейсмоприемников. Чувствительность к опасным зонам показателя медианы спектра колеблется от 100 % - при наименьшем удалении сейсмоприемников от забоя выработки, до 0 % -при большом удалении. Это может быть вызвано весьма сильной зависимостью медианы спектра шума от расстояния между источником и приемником шума. Показано, что два алгоритма определения показателя опасности в форме отношения амплитуд высокочастотной и низкочастотной областей спектра с определением границ частотных диапазонов относительно частоты, на которой зарегистрирован максимум амплитуды сигнала, и алгоритм оценки напряженного состояния массива по медиане частоты спектра могут быть автоматизированы, а их совокупная чувствительность позволяет с достоверностью от 40 до 100 % прогнозировать геодинамические явления.

Предлагается технологическое решение обеспечивающее расширение минерально-сырьевой базы месторождений ценного минерального сырья путем вовлечения в переработку продуктивных фракций некондиционных руд, для которых характерно концентрирование полезного компонента в рудной мелочи при взрывном рыхлении выемочного блока. Продуктивная мелкая фракция, выделяемая из некондиционной рудной массы посредством грохочения, направляется на переработку методом кучного выщелачивания совместно с бедными рудами сложноструктурного выемочного блока, при этом выделенная мелкая фракция бедных руд, также обогащенная полезным компонентом, направляется на переработку совместно с рядовыми рудами флотационным методом. Применение предлагаемой технологии позволит повысить извлечение металла из разносортных руд месторождения и снизить нагрузку на окружающую среду.

Представлены результаты анализа нормативной документации обеспечения устойчивости подземных горных выработок. Выделены недостатки, которые обуславливают необходимость разработки методики расчета нагрузок на крепь выработок в условиях IV-V категории устойчивости в зоне и вне зоны влияния очистных работ. Применена методика расчета мощности зон неупругих деформаций и нагрузки в условиях хрупко-разрушающейся среды. Установлена зависимость изменения напряженно-деформированного состояния приконтурного массива подготовительнонарезной выработки от параметров очистного блока и расстояния до его контура.