Современный комплексный мониторинг - надежный инструментарий для повышения эффективности и безопасности горных работ

В сложных геомеханических условиях Жезказганского месторождения для обеспечения безопасности горных работ требуются надежные методы диагностики и контроля, обеспечивающие непрерывный контроль состояния массива в пределах всего месторождения, имеющего площадь около 60 км²

Данными вопросами занимается геомеханическая служба корпорации «Казахмыс», которая круглосуточно осуществляет диагностику и контроль состояния массива горных пород современными средствами мониторинга. Мониторинг включает в себя комплексную систему периодических наблюдений за состоянием природной среды с целью выявления негативных изменений и выработки рекомендаций по их устранению. Рабочие должны быть уверены, что геомеханические условия на шахтах в данное время являются достаточно безопасными, и что служба круглосуточно ведет контроль с целью обеспечения безопасности труда в случае возникновения непредвиденных обстоятельств. Для этого в корпорации «Казахмыс» постоянно внедряется новая измерительная аппаратура. Используются современные методы научных исследований с применением ЭВМ для обработки информации о массиве в режиме реального времени.

Диагностика массива горных пород основывается на всестороннем и систематическом изучении его состояния на всех стадиях ведения горных работ. Она включает анализ изменения геометрических размеров выработанного пространства по мощности и кратности подработки, различные инструментальные методы измерения физических параметров массива горных пород, включая сейсмику и сдвижение горных пород. В процессе диагностики выполняется анализ геологических и маркшейдерских документов; осуществляется регулярное обследование выработанного пространства на основе визуальных наблюдений за проявлениями горного давления; ведутся наблюдения за сдвижением земной поверхности и сейсмической активностью массива. По результатам диагностики устанавливаются причины изменения состояния массива.

Основными задачами диагностики являются: получение исходной информации о массиве; оценка текущего состояния массива горных пород; профилактическое обследование массива и прогнозирование геомеханических процессов, происходящих в нем; проведение необходимых наблюдений (измерений) по предупреждению внезапных обрушений. Диагностика позволяет обосновать возможность выемки полезного ископаемого на рудниках, способы и порядок погашения накопившихся потенциально опасных пустот, необходимость переноса поверхностных сооружений и др. Знание потенциально опасных по обрушениям зон позволяет еще на стадии планирования и. проектирования горных работ установить места возможных обрушений и заранее принять меры по их предотвращению.

Контроль состояния массива горных пород является следующим после диагностики этапом работ. Задачи контроля: выбор в пределах шахтного поля участков массива, подлежащих контролю; выбор и обоснование критериев контроля массива или отдельных его элементов; разработка схем контроля и необходимых средств их совершенствования; оповещение обслуживающего персонала в случае возникновения опасных ситуаций. Контроль основывается на знании физических процессов, протекающих в массиве, и осуществляется различными видами мониторинга (аналитическими методами, инструментальными методами контроля за сдвижением горных пород, современными системами автоматизированного контроля, непосредственными визуальными обследованиями состояния выработок). Приборный контроль выполняется: автоматизированной системой контроля «Регион» на локальных участках с размещением 16 полевых пунктов; региональной радиотелеметрической системой автоматизированного контроля сейсмических событий с размещением 8 полевых пунктов по периметру месторождения; системой автоматизированного контроля MosDas с локальной сетью контроля и автономно на искомых участках. При внедрении указанных систем автоматизированного контроля были решены вопросы конфигурации сети наблюдений, точной локации событий, от которых существенно зависит вся последующая интерпретация данных сейсмического мониторинга. Существующая сеть наблюдений системы автоматизированного контроля позволяет регистрировать события преимущественно энергетического класса 10²Дж и выше. Точность определения гипоцентров сейсмических событий составляет от десятков метров при событиях энергетического класса 10³ Дж до единиц метров при событиях энергетического класса более 10⁴ Дж. Выбор программных средств осуществлялся с учетом особенностей методов и средств контроля, динамики развития процесса разрушения, необходимости приема и обработки информации в режиме реального времени. На сегодня разработаны алгоритмы и реализованы на практике специальные программы для ПЭВМ, обеспечивающие автоматизацию наблюдений. Разработанный комплекс программ используется при обработке данных мониторинга и способствует автоматизации процесса сбора и обработки информации в режиме реального времени. Таким образом, сейсмический мониторинг позволяет определить местоположение в пространстве зон активных геомеханических процессов и обеспечивает непрерывное слежение за их поведением во времени. Сейсмический контроль состояния массива осуществляется на рудниках Жезказганского месторождения с 1996 г., показывая достаточно высокую эффективность. Развернутая сеть наблюдательных станций позволяет осуществлять контроль на всех участках шахтных полей подземных рудников. Полученные результаты свидетельствуют о высокой эффективности сейсмического мониторинга и открывают широкие возможности для принятия своевременных мер с целью предотвращения или снижения негативных последствий от возможных обрушений. Системы сейсмического контроля позволяют также оперативно определять сейсмический эффект от каждого взрыва, осуществлять сейсморайонирование месторождения по степени опасности промышленных взрывов и при необходимости корректировать паспорта БВР. Таким образом, при производстве промышленных взрывов сейсмический мониторинг горного массива обеспечивает надежную оценку его сейсмичности и является основной мерой охраны инженерных сооружений от действия взрывных работ. Сейсмический мониторинг позволяет контролировать сейсмическое действие взрыва и регламентировать снижение фактического уровня сейсмических колебаний до допустимых значений, что в итоге также обеспечивает эффективность и безопасность взрывных работ.

Инструментальные наблюдения за сдвижением земной поверхности ведутся по 147 профильным линиям. С целью слежения за динамикой развития деформационных процессов ежегодно выполняется дополнительно около 30 серий наблюдений. Визуальные наблюдения за состоянием междукамерных целиков и кровли выполняются периодически по календарному плану для контроля состояния выработанного пространства. При визуальной оценке используются такие предвестники обрушения, как шум из массива, толчки, потрескивание, стреляние пород и др. Визуальному контролю подлежат ослабленные участки, участки повторной разработки, участки под зданиями и сооружениями, обрушенные участки. По результатам визуальных обследований ежегодно (в среднем более 1200 наблюдений) составляются более 200 актов обследований выработанного пространства.

Таким образом, по данным комплексного мониторинга, обеспечивающего диагностику и контроль состояния выработанного пространства, выполняется оценка состояния выработанного пространства участков месторождения инструментальными, приборными и визуальными методами наблюдений. В итоге по полученным данным о состоянии массива строится прогноз о потенциальной склонности участков месторождения к внезапным обрушениям, обосновываются наилучшие варианты технологии и мероприятия, исключающие проявления негативных явлений.

Ежемесячно по данным комплексного мониторинга составляются «Справки о состоянии выработанного пространства и налегающей толщи горных пород на рудниках корпорации «Казахмыс». В представленных справках рассматриваются участки, где были отмечены существенные изменения геомеханической ситуации. На основании выявленных существенных изменений геомеханической ситуации на этих участках рудникам выдаются рекомендации. Данные комплексного мониторинга используются: при разработке и внедрении мер защиты объектов на поверхности, их переносе и сносе; при разработке и внедрении мероприятий по предупреждению обрушений земной поверхности и безопасному ведению горных работ в районах с пониженной устойчивостью; при организации визуального, инструментального и приборного контроля состояния выработанного пространства и налегающей толщи; при выборе первоочередных участков погашения.

По результатам комплексного мониторинга оперативно оценивается текущее состояние выработанного пространства одновременно всех участков месторождения (табл. 1 и 2), далее по представленной на рисунке схеме осуществляется вероятный прогноз. В результате градации по степени устойчивости выявляются участки: интенсивных сдвижений, ослабленные и неустойчивые. Эти данные представляются экспертной комиссии корпорации и используются в дальнейшем для ревизии выработанного пространства, составления и корректировки планов эвакуации людей в случае возможного обрушения. На основании результатов геомониторинга ежегодно выполняются: обоснование первоочередных участков погашения пустот и повторной отработки; положение о вводе и списании выемочных единиц в условиях повторной отработки на Жезказганском месторождении; мероприятия по повторной отработке при погашении пустот; ситуационный план по данным геомониторинга с участками повторной разработки

Таблица 1. Оценка устойчивости земной поверхности

К настоящему времени с целью повышения оперативности контроля разработана технология мониторинга массива горных пород, достоверно оценена общая геомеханическая ситуация Жезказганского месторождения и впервые получены следующие основные результаты:

1. Выявлены зоны месторождения, опасные по обрушениям с выходом на поверхность, представленные в виде прогнозных карт по различным критериям.

2. Определены участки повторной разработки с выделением участков первоочередного погашения пустот обрушением.

3. Автоматизирована классификация участков месторождения по степени устойчивости с выделением следующих категорий: участки интенсивных сдвижений, неустойчивые и ослабленные участки.

4. Выполняются инженерные мероприятия по предотвращению аварий, вызванных возможным обрушением и переносом коммуникаций.

5. Организованы надлежащие диагностика и контроль за ослабленными участками месторождения с представлением информации в соответствующие инстанции.

Таким образом, комплексный мониторинг позволяет осуществлять доработку месторождений в сложных геомеханических условиях, снижая риск возникновения таких катастрофических явлений, как обрушения.

Таблица 2. Оценка текущего состояния участка