METHODOLOGY FOR ANALYSING AND ASSESSING THE LEVEL OF ROCK COLLAPSE HAZARD DURING DRILLING AND BLASTING OF MINE EXCAVATIONS

Угледобывающие предприятия подземного типа традиционно относятся к объектам повышенной опасности. Так, на современных угольных шахтах РФ выполнение основных производственных процессов при проведении горных выработок сопряжено с высоким риском травмирования проходчиков. В частности, более 29% от общего числа травм происходит в подготовительных забоях вследствие обрушения горных пород. При этом уровень смертельного травматизма по данному фактору превышает 60%. Одной из основных причин обрушений пород кровли является нарушение паспорта крепления выработки (30%)

Особенно часто этот травмирующий фактор проявляется при проведении горных выработок с помощью буровзрывных работ (далее – БВР). Удельный вес использования на практике такого способа проходки горных выработок на угольных шахтах РФ достаточно высок. В основном это связано со сложными горно-геологическими условиями разработки угольных месторождений (высокой крепостью вмещающих пород, наличием геологических нарушений и т.д.). Данный способ проведения горных выработок характеризуется ростом уровня производственной опасности, обусловленной значительной, как правило, глубиной разработки угольных месторождений, а также действием силы тяжести и проявлением горного давления. Основными причинами этого являются: невозможность применения механизированной крепи, значительный объем ручного труда при оформлении забоя и зачистке боков и почвы выработки, отсутствие надежной техники при монтаже рам крепи и проч.

В связи с этим проблема профилактики обрушений при проведении горных выработок с помощью БВР является актуальной для угольных шахт и требует оперативного решения.

Как правило, при решении проблем в области безопасности в условиях горных объектов, в последнее время широко используются вероятностные методы анализа и оценки уровня производственной опасности

(1)

где Rcpc – среднее расчётное сопротивление пород кровли на растяжение, МПа. Его значение напрямую зависит от геометрии исследуемой выработки и мощности породных слоев, составляющих ее непосредственную кровлю

Pг – горное давление или давление вышележащего массива горных пород, МПа. Определяется как

(2)

здесь γ – средняя плотность пород, кг/м3, Н – глубина залегания горной выработки, м.

Средняя плотность вмещающих пород «выполняет роль» коэффициента пропорциональности между глубиной и давлением вышележащего массива горных пород. При неизменной плотности пород величина горного давления имеет тенденцию к возрастанию с увеличением глубины разработки полезного ископаемого. На рис. 1 представлена соответствующая прямолинейная зависимость.

Рисунок 1 - Динамика горного давления при увеличении глубины работ

DOI:10.23670/IRJ.2023.134.13.1

Упрощенные расчеты с учетом такого классического подхода дают результат, свидетельствующий о достаточно безопасной обстановке на рабочих местах проходчиков, что противоречит официальной статистике по травматизму из-за обрушения пород кровли

[5]

,

[6]

.

На наш взгляд, более объективным подходом в этом актуальном для горной промышленности вопросе является вариант, базирующийся на комплексном учете специфики горно-геологических условий, состава и особенностей выполнения операций проходческого цикла в рассматриваемых условиях, а также влияния «человеческого фактора», проявляющегося в виде ошибок и нарушений работающими требований нормативно-технической документации.

Для практической реализации предложенного подхода выполнен анализ комплекса природных и технологических факторов, объективно влияющих на процессы деформации, расслоения и обрушения пород непосредственной кровли при проведении подготовительных выработок с помощью БВР на угольных шахтах. Установлено, что к числу основных влияющих факторов относятся: условия залегания пласта, форма и геометрия выработки, свойства горных пород, технология проходки выработки, типы используемого горнопроходческого оборудования и др. 

Исходя из этого, при оценке состояния пород непосредственной кровли горной выработки следует оперировать следующими поправочными коэффициентами: 

1. Кфгп – коэффициент, учитывающий физико-механические свойства горных пород; 

2. Кбвр – коэффициент, учитывающий технологию проходки горной выработки. 

Физический смысл коэффициента Кфгп состоит в комплексном учете характеристик исследуемых пород, определяющих такие их свойства, как длительная прочность, сумма растягивающих напряжений, величина бокового распора в массиве и проч. Численное значение этого поправочного коэффициента можно определить по формуле 

(3)

где ξ – коэффициент длительной прочности пород. Для кровель, сложенных сланцами различного вида, его величина колеблется в пределах 0,5-0,6; 

Крн – коэффициент растягивающих напряжений в породах кровли. Величина его зависит от формы поперечного сечения выработки и коэффициента крепости пород, составляющих ее непосредственную кровлю. Рекомендуется при трапециевидной форме выработки принимать Крн = 1, при использовании арочной формы – Крн = 0,67;

λ – коэффициент бокового распора. Величина этого параметра зависит от отношения вязких и упругих составляющих деформаций, которые скачкообразно меняются с глубиной. Для расчетов значение коэффициента бокового распора в массиве горных пород следует принимать равным 0,33.

Ещё один поправочный коэффициент Кбвр учитывает особенности выполнения и состав технологических операций проведения горной выработки буровзрывным способом. Для условий современных шахт величина этого коэффициента может быть определена из выражения 

(4)

где Кр – поправочный коэффициент, учитывающий степень расслоения пород. Численные значения коэффициента Кропределяются эмпирическим путем (по результатам геоакустических спектральных измерений), лежат в широком диапазоне от 0,1 до 1 и зависят от количества и мощности породных слоев

Кс – коэффициент, учитывающий структурное ослабление пород непосредственной кровли выработки после проведения БВР. Принимается из диапазона 0,3-1,0 с учетом крепости пород, геометрии выработки и основных параметров паспорта БВР

Исходя из представленных выше рассуждений, вероятность устойчивого состояния пород непосредственной кровли горной выработки, проводимой с помощью БВР, может быть определена из выражения 

(5)

С учетом того факта, что суммарная вероятность двух несовместных событий всегда равна единице, вероятность обрушения пород кровли горной выработки может быть ориентировочно определена по формуле

(6)

На основании предложенного методического подхода определения вероятности обрушения пород непосредственной кровли выработки можно рассчитать величину риска травмирования проходчиков от обрушений пород. Для этого, на наш взгляд, следует наряду с анализом природных и технологических факторов учитывать эргономический. В частности, при оценке риска травмирования от обрушений предлагается использовать поправочный коэффициент, учитывающий возможные ошибки и нарушения проходчиков при выполнении ими технологических операции по проведению горной выработки. Это важно, т.к. по статистике 52% травм происходит вследствие проявления «человеческого фактора», а именно – недисциплинированности и недооценки работниками производственной опасности

(7)

где ∆К – поправочный коэффициент, повышающий уровень риска травмирования проходчиков от обрушений на 20-25% при наличии зафиксированных ошибок и нарушений при выполнении технологических операций проходческого цикла.

Для оценки уровня риска травмирования проходчиков обрушающимися породами разработана и предлагается к практическому использованию эмпирическая пятиуровневая шкала, представленная в таблице 1.

Для оценки уровня риска травмирования проходчиков обрушающимися породами разработана и предлагается к практическому использованию эмпирическая пятиуровневая шкала. Она позволяет ранжировать степень опасности в забое выработки по уровням риска, а также дает практические рекомендации по нормализации обстановки и срочности их выполнения, определяя тем самым стратегию мер по обеспечению приемлемого уровня производственной безопасности при проходке выработки с помощью БВР. 

Таким образом, предложенный методический подход анализа и оценки степени устойчивости непосредственной кровли горной выработки позволит определить вероятность обрушения пород и повысить эффективность мероприятий по снижению риска травмирования проходчиков в призабойном пространстве выработки. В широком смысле, методику и полученные на ее основе результаты анализа и оценки риска травмирования от обрушения пород целесообразно использовать в качестве информационно-методической основы для ранжирования производственных процессов по уровню опасности