автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.04, диссертация на тему:Система управления безопасностью в зонах повышенного горного давления

и М

-----------На- правах рукописи---------------

___ВЕРНИГОР Владимир Михайлович__„_

........" ...... ........ УД К 622786

--ейеТЕМА-УЛРШЕНйЯ-БЕЗОПАСНОСТЬ'Ш-

В ЗОНАХ ПОВЫШЕННОГО ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05.26.04 — «Промышленная безопасность»

—--»А- в тор е фер а т—---

_____________диссертации на соискание ученойстепени.

кандидата технических наук

Москва 1997

Работа выполнена в Московском государственном горном университете и Печорском округе Федерального горного и промышленного надзора России.

Научный руководитель докт. техн. наук, проф. УШАКОВ К. 3.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. СЕРГЕЕВ И. В., канд. техн. наук, доц. ЯКОВЛЕВ В. С.

Ведущее предприятие — ПечорНИИпроект.

в '*. . . час. на заседании диссертационного совета К-053.12.02 в Московском государственном горном университете по адресу: 117935, Москва, В-49, Ленинский проспект, дом 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « . 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

/ * I

Защита диссертации состоится

канд. техн. наук, доц. КОРОЛЕВА В. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При подземной разработке свты угольных пластов создаются тяжелые условия управления горным давлением в очистных и подготовительных выработках на участках влияния зон повышенного горного давления (далее -зон ПГД) под (над) целиками и краевыми частями угля, оставленными на соседних пластах. Вследствие этого происходит ухудшение условии труда работающих. В настоящее время в угольной промышленности стран СНГ более 70% шахт разрабатывают свиты пластов, что предопределяет значительное распространение зон ПГД. Ежегодно на угольных шахтах стран СНГ выявляется более девяти тысяч зон ПГД. В частности, в Кузнецком угольном бассейне ежегодно переходится 110-115 зон ПГД. Аналогичное положение характерно и для крупнейшего в Европейской части России Печорского угольного бассейна, Так, m шахтах гг. Воркуты и Инты, отрабатывавших свиты угольных ишетов, в период 1991-1995 гг. ежегодно переходилось 54 зоны ПГД. а производственный травматизм на подземных работах mix шахт сохранялся на достаточно высоком уровне -79,1 % и 55,0 %. соответственно. В частности, на шахты г. Воркуты, отрабатывавшие свиты угольных пластов в анализируемом 1ериоде, приходилось 65,7 % от общего травматизма на юдземных работах, в том числе 83,3 % с летальным исходом.

В настоящее время существует пробел в части разработки юответствующих нормативных документов, регламентирующих 'словия, область и параметры эффективных способов 'правления напряженно-деформированным состоянием массива I зонах ПГД.

Поскольку Правилами безопасности в угольных и ланцевых шахтах предусмотрено создание системы управления охраной труда, назрела необходимость в разработке системы правления безопасностью при ведении горных работ в зонах 1ГД как одной из составных частей этой общей системы, юзволяющей исключить или максимально снизить [роизводственный риск и отрицательное влияние горно-еологических и горнотехнических факторов до уровня, не

ограничивающего возможности использования новой техники и прогрессивной технологии.

Целыо работы является радикальное повышение безопасности ведения горных работ в зонах повышенного горного давления.

Основная идея работы заключается в установлении зависимостей показателей производственного травматизма от параметров зон ПГД и в разработке на их основе системы управления безопасностью в зонах ПГД, включающей в себя прогноз степени опасности этих зон по производственному травматизму на стадии планирования горных работ и использование технологии управления состоянием массива горных пород, учитывающей залегание и свойства наименее прочных литотипов.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

- при переходе горными работами зон ПГД происходит рост показателей производственного травматизма независимо от глубины ведения горных работ и степени опасности угольных пластов по динамическим и газодинамическим явлениям;

- прогнозная количественная оценка степени опасности зон ПГД по производственному травматизму с высокой степенью достоверности может определяться на основе изучения конфигураций этих зон и напряжений в них, что позволяет на стадии планированш горных работ обеспечивать безопасные условия труда в этих зонах;

- повышение безопасности горных работ в зонах ПГД достигается комбинированным воздействием на массив, при этом параметры заложения скважин определяются с учетом залегания наименее прочных литотипов и их напряженного состояния; ..

- система управления безопасностью в зонах ПГД основана на прогнозе степени опасности этих зон по производственному травматизму и управлении напряженно-

деформированным состоянием углепородного массива н сочетании с рациональным опережением очистных забоен смежных пластов.

Обоснование и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- значительным объемом результатов экспериментальных исследований:

- применением современных методов статистическом) анализа и расчета технологических параметров с широким применением электронно-вычислительной техники;

- хорошей сходимостью фактических и прогнозируемых значений исследованных показателей (в среднем 6,7 %), снижением ущерба от производственного травматизма и вовлечением дополнительных запасов угля, полученных при практической реализации новых параметров технологии управления состоянием массива в зонах ПГД.

Научное значение работы заключается в разработке методических рекомендаций по анализу производственного травматизма в зонах повышенного горного давления и прогнозу степени опасности этих зон по производственному травматизму на основе установленных их связей с значениями коэффициента концентрации напряжений; в установлении зависимости интенсивности вывалообразования в зонах ПГД, являющегося одним из основных травмирующих факторов, от параметров профилактического воздействия на наименее прочные литогины вмещающих пород.

Практическое значение работы заключается в разработке новых параметров технологии управления напряженно-деформированным состоянием углепородного массива в зонах ПГД, предусматривающей заложение скважин для воздействия на горный массив с учетом залегания наименее прочных литотипов и их напряженного состояния, обеспечивающей снижение производственного травматизма в 3,8 раза и повышение эффективности добычи угля в 2,7 - 3 раза и

позволяющей найти применение в других угольных бассейна) России, стран СНГ и Европы; в разработке оптимальны* параметров анкерной крепи в очистных забоях и на концевьр участках; в разработке параметров рационального опереженш по падению очистных забоев смежных пластов; в созданиу основы для разработки новых нормативных документов пс безопасному ведению горных работ в зонах ПГД.

Реализация выводов и рекомендаций

Результаты исследований были положены в основ) рабочих проектов по снижению напряженно-деформированногс состояния углепородного массива в зонах ПГД при отработке очистных забоев на шахтах "Юр-Шор" и "ЮньтЯга" ОАС "Воркутауголь" и использованы при составлении новой инструкции по применению анкерной крепи р Печорском бассейне. Результаты научной работы используются в учебном процессе при подготовке горных инженеров в филиале С-ПбГГИ (ТУ) в г. Воркуте.

Апробация работы. Основные положения работы и отдельные ее этапы обсуждались и получили одобрение на Коми республиканском семинаре, организованном научным центром Уральского отделения АН СССР в г. Воркуте (1987); на комиссии по горным ударам Печорского бассейна (Воркута, 1991-1996 гг.) в Санкт-Петербургском государственном горном институте (ТУ] (1996); на Совете Печорского округа Госгортехнадзора России (Воркута, 1997); в Московском государственном горном университете (1997); на II Международном рабочем совещании (Санкт-Петербург,1997); на X Межотраслевом координационном совещании (Екатеринбург, 1997).

Публикации. Основные положения диссертации и результаты исследований опубликованы в 9 научных работах. В диссертации изложены результаты научных иеследоват/й, которые выполнялись автором в период 1984-1996 гг.

Структура и объем работы. Диссертация cociom in введения, четырех глав и заключения, изложена на 135 страницах машинописного текста, включает 34 рисунка, 20 таблиц, пять приложений и список литературы из 85 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность проф., к.г.п. A.A. Форскжу за научно - методические консультации.

. Основное содержание работы

Значительный вклад в совершенствование современной технологии добычи угля подземным способом и решение вопросов повышения безопасности горных работ внесли как Отдельные отечественные и зарубежные исследователи, так и научные учреждения, что нашло отра; ение в научных трудах и нормативных документах: ВНИМИ, ВостНИИ, Дон УГИ, ДПИ, ИГД им. a.a. Скочинского, КузНИУИ, МГГУ, ПечорНЙ И проект, С-ПбГГИ (ТУ) (БичЯ.А., Богданов МП., Борисов A.A., Васючков Ю.Ф., Гусельников Л.М., Жихарев С.Я., Кузнецов В.П., Кузнецов С.Т., Коршунов Г.И., Мурашен В Н., Ножкин Н.В., Осипов А.Н., Петухов И.М., Плате М.. Проскуряков Н.М., Протосеня А.П., Пучков Л.А,. Рейпольский П.А., Сластунов C.B., Трубецкой К.Н., Ушаков К.З., Филинков A.A., Холзаков Е.М., Черняев В.И., Шек В.М., Шишкин В.П., Шувалов Ю.В., Якоби О., Ярунин С.А. и др.).

Несмотря на широту и глубину выполненных исследований, на шахтах Печорского бассейна, отрабатывающих свиты угольных пластов, производственный травматизм остается на высоком' уровне. Для повышения безопасности и эффективности горных работ в диссертации решались следующие задачи:

1. Изучение и анализ статистических показателей производственного травматизма на шахтах Печорского бассейна, отрабатывающих свиты угольных пластов.

2. Исследование особенностей условий труда при ведении горных работ в зонах повышенного горного давления.

3; Разработка методики анализа производственного травматизма в зонах повышенного горного давления.

4. Выявление зависимости показателей травматизма от параметров зон повышенного горного давления.

5. Разработка методики прогноза степени опасности зон повышенного горного давления по производственному травматизму.

6. Оценка эффективности существующих методов и способов управления напряженно-деформированным состоянием углепородного массива.

7. Исследование безопасных параметров технологии управления напряженно-деформированным состоянием >т лепородного массива в зонах ПГД.

8. Разработка системы управления безопасностью ведения горных работ в зонах ПГД при отработке свит угольных пластов.

Анализом производственного травматизма на шахтах Печорского бассейна установлено как явное, так и скрытое влияние зон ПГД на причины и характер травматизма, заключающееся в основном в ухудшении условий и повышении опасности труда работающих. Основной предпосылкой этому является ухудшение состояния горных выработок по причине пучения почвы и деформирования крепи, что в свою очередь вызывает потерю сечения и высоты, увеличение объемов дополнительных работ, применение машин и механизмов для несвойственных работ и др. Скрытое влияние зон ПГД можно проследить во всех пяти основных видах травматизма на подземных работах, учитываемых официальной статистикой. Это влияние, значительно повышающее травматизм, заключается в следующем.

1. Травмирование человека от обрушения угля и породы происходит в результате повышенного горного давления, приводящего:

а) в подготовительных забоях - к травмированию обрушившимися породами кровли или углем при выполнении работ по усилению крепи, выкладке "костров" над крепьк), перекреплению выработок, замене- затяжки и других дополнительных работ, влияющих на рост случаев травмирования;

б) в очистных забоях - к травмированию при выполнении дополнительных работ по зачистке секций механизированной крепи от просыпавшейся породы непосредственной кровли, выкладке "костров" над секциями крепи, освобождению секций крепи при их посадке "нажесгко" с возведением временной крепи и применением отбойных молотков, проведению и креплению "присечки" вдоль очистного забоя, правке наклонившихся секций крепи и др.

2. Травмирование при падении человека в горных выработках, находтщихся в зонах ПГД, происходит в основном по причине их неудовлетворительного состояния (пучение почвы, деформирование основной и усиливающей крепи, потеря регламентируемой высоты и сечения, отсутствие минимальных зазоров между транспортными средствами и крепью и др.), что приводит к необходимости передвижения по выработкам в неустановленных местах и др.

3. Травмирование человека падающими предметами происходит при выполнении работ по замене или установке основной и усиливающей крепи, при разгрузке крепи от горного давления, при снятии элементов крепи в условиях повышенного горного давления и других дополнительных работах. Кроме тоге, травмирование падающими предметами происходит в выработках, находящихся в неудовлетворительном состоянии по сечению, зазорам, высоте, профилю рельсового пути и др. параметрам, вызывающим. как правило, применение запрещенных приемов при погрузке-разгрузке материалов или оборудования, при постановке на рельсы подвижного состава, что в конечном итоге также приводит к падению материалов, оборудования или других предметов.

4. Травмирование человека на транспортных средствах происходит в результате пучения почвы и деформирования крепи, приводящих к потере регламентируемой высоты и сечения, ухудшению профиля рельсового пути, отсутствию минимальных зазоров между транспортными средствами (ленточными и скребковыми конвейерами, вагонами и площадками) и крепью горных выработок; необходимости выполнения дополнительных работ по креплению приводных и

натяжных станций транспортных средств и перестилк рельсового пути, что приводит к выполнению дополнительного объема работ по зачистке выработок с погрузкой горной маса на транспортные средства при отсутствии минимальных зазоро и применению запрещенных приемов в работе и др.

5. Травмирование человека от воздействия машин механизмов происходит в основном в результате применения и для извлечения задавленных и деформированных элементо крепи горных выработок, погашаемых за очистными забоям* необходимости правки завалившихся секций крепи и боле частого ремонта секций механизированной крепи ил выемочных машин и др.

Проведенным анализом горно-геологически) горнотехнических условий и производственного травматизм установлено, что на шахтах г. Воркуты в зонах ПГД происходи рост показателей травматизма по пяти основным травмирующи факторам (табл. 1).

Наиболее высокий уровень травматизма сохраняется н восьми анализируемых шахтах г. Воркуты, отрабатывающи свиты угольных пластов "Мощный-Пятый", "Тройно? Четвертый-Пятый" ("Комсомольская", "Промышленная' "Центральная", "Юр-Шор", "Северная", "Воркутинская' "Заполярная") и П|4-Пп.-Пб-П5 ("Юнь-Яга"). На эти шахт] приходится 65,7 % случаев травмирования, в том числе 83,3 % летальным исходом. В сравнении с общим травматизмом и подземных горных работах, травматизм в зонах ПГД состави 23,5%, коэффициенты частоты Кч и тяжести Кт-29,6 % и 31,! %, соответственно. Закономерная связь показателей травматизм с увеличением влияния зон ПГД выявляется при анализе услови отработки угольных пластов по их количеству в свите и поряди отработки. Это выясняется при анализе условий ведения горнь; работ, приведенных в классификации условий отработки пластс (табл. 2). После проведения ранжирования шахт г относительному количеству несчастных случаев в зонах ПГД зависимости от классификации шахт,по вариантам отработк пластов установлено, что шахты группы 1.1.1 имеют травматиз в пределах 12,2-^21,2 %. Шахта, объединяющая группы 1.1.1

Таблица I

Основные показатели производственного травматизма на ползем нмх горных работах по иналишруеммм шахтам г Воркуты за период 1991-1995 п .

.Л; 1 п 1 ' 1 ¡аичеичалик; нокауте чей травм лшма Чнс.ю случаен травмировании по годам На подъемных работах V. в зонах ПГД "гз^Г

Мат П'1 И'М* К ГО))1|| (X РТ'К-'ТЯТ тпм чист- с -I.mi.IX ПГД ПГ!Ч О Тони ЛИЛ, " 66?"

1«о| !<т 1014 ¡»¡¿Д. 19Я 1992 ] IVУ4 |9<0

Чт. юсичл.и 5о1 051 5 У) 5« 477 133 136 132 140 114 2787

2. Коэффициент Частот. К, 12.9 14 6 33.2 31.4 31,6 10.6 9.3 9.6 10.4 9,2 161,7 49.1 29.6

Ко".» [фпинещ аиж.-пи Кг 2(>.Ь 4,9 24,6 .72,8 У.7 6,8 8,5 6.4 7.2 123,8 38,6 31.2

1 4.1. 1 п.тчирукчиие флк'1 оры; Оорхшспие 165 181 176 17! 153 61 52 ' 54 65 61 848 291 .4.3

4 2. Ножике щч-дмсга 86 121 87 71 69 22 24 27 22 14 ' 434 109 25.1

11а.1сцнс ЧгГЧОНСЬа П2 ИИ 86 96 91 17 15 П 19 14 486 82 16.9

4 4 5 { от« Г ' М.Тм.....ПН « сс 67 45 * ч 1« 7 Ц! 2 7 6 45 16.1

5 и 1 по 57 .17 .12 14 1 1 17 15 1 1 9 210 61 10 1)

1 Л 11)6 118 85 1.1 19 9 18 Ь 5.1.1 65 12 2

Таблииа 2

Классификация условий офабогкн угольных пластов по их количеству в евше и

порядку отработки

4; |.ХО(Ч 1 Коппчесию огр.'к' пмл.^иии гг;.1-.-.->|| в сите

г 4 111 г (1) Л В В 11.1.КТ.Ч (2) Три пл.-нта (3) Четыре п тем

1* ¿почт: ПиОГ|.| 1(»1 1 роМГой 1 4i.-TUepii.iii (2) Мощный Питий (1) Тройной Четвертый Пи-ши (1) «и пн П.1 П.

( 'Ч.рСЛЧОСТЬ 1' I [1.1(41 II.II 'к-терп 1)1 г rpouiii-.il 0)О,Ш111>1ПП.1Й МишиыП, (ПитыЛ ив отрл5аги-вастск) (1) Мыциый —г Пигын (1)1 );шночнмй ЛЯШЙ, (Мощный нс отрабатываете*) 0) Истертый -4 Троимо Я Пяты Л 0) 11.«-»11,1

11и.Ч-.-) с 11Ь|1|1:НП'П 1)1]'.1Г,о 1Ы1 (111) (1 2.1) (1-2 2) (1 2 Л) (2 1) (3-1 1)

Примечание: в скобках указаны индексы вариантов

1.2.1-15,4 %, шахты, объединяющие группы 1.2.2 и 2.1.1, а также 1.2.3 и 2.1.1 имеют высокий уровень травматизма - 28,5 % + 30,1 %. Самый высокий уровень травматизма в зонах ПГД имеют шахты группы 1.2.2-34,6 % -ь 38,2 %. Табл.3 дает исчерпывающее объяснение этому: интенсивность влияния зон ПГД ог пласта Мощного на показатели производственного травматизма, значительно выше зон ПГД от пластов Четвертого и Тройного, так как появляется дополнительное междупластье Тройной-Четвертый, снижающее влияние на производственный травматизм. Анализом производственного травматизма установлено, что при ведении очистных работ в среднем происходит 0,25 случ./10 тыс. т угля. После применения дифференцированной оценки выяснилось, что в зонах ПГД этот показатель составил 0,44 случ. /10 тыс. т угля, а вне этих зон ПГД — 0,16 случ. /10 тыс. т добытого угля.

Таким образом, из приведенного анализа следует, что при переходе горными работами зон ПГД ухудшаются условия труда рабочих и происходит скрытое влияние этих зон, которые можно проследить во всех пяти основных травмирующих факторах, характеризующих производственный травматизм в этих зонах.

Анализ условий труда в зонах ПГД на шахтах Печорского бассейна свидетельствует,' что одним из важнейших условий снижения производственного травматизма при ведении горных работ в этих зонах является предварительная оценка горногеологических и горнотехнических условий. Поскольку зоны ПГД характеризуются тем, что в них нормальные к напластованию напряжения су больше аналогичных напряжений о у в нетронутом массиве, по абсолютной величине ау среди зон ПГД выделяются три их разновидности, характеризующие степень опасности проявлений горного давления: зона првышенной опасности (ЗПО), опасная зона (03), прогнозная юна (ПЗ).

Таблица 3

Ранжирование шахт по относительному количеству несчастных случаев в зонах ПГД

Шахгы Процентное количество несчастных случаев в чоннх ПГД по вариантам отраГхнкп

(1.1.1) (1.2.1) (1.2.2) (1.2.3) (2.1.1) (3,1 1)

"Воркупшская" 12,2

"Комсомольская" 15,4

"Заполярная" "> j 1

"Юр-Шор" 28,5 28,5

"Северная" 30,1

"Юнь-Яга" 32,3

"Промышленная" 34,6

"Цен ¡ральная" 38,2

Кроме того, количественным показателем максимальной концентрации нормальных к напластованию напряжений является так называемый коэффициент концентрации напряжений К=ау/а°у. По этому показателю зоны ПГД обычно подразделяются на зоны 1 степени (К >1,4), II степени (К = 1,2+1,4) и Ш степени (К < 1,2). Эти общепринятые градации не отражают зависимости показателей производственного травматизма в зонах ПГД от количественных параметров этих зон и нуждаются в существенных изменениях. С целью установления этой зависимости была выполнена предварительная количественная оценка напряжений в зонах ПГД по методике В.И. Черняева (ДПИ), в основу которой положен расчет компонент дополнительных напряжений в толще пород при взаимном влиянии очистных выработок методом ■ последовательных приближений. В связи со сложностью расчетных формул численная реализация применяемого метода

по определению компонент напряжений в толще пород взаимовлияющих очистных выработок при решении практических задач выполнялась с помощью таблиц и номограмм. Полные напряжения в рассчитанных точках зон ПГД определяются по формулам

Су) = о°у + Оууь су = а°у + Оуу; сту2 = а°у + а^. (1)

где- а°у - начальные напряжения в нетронутом массиве пород;

оу>1, Оуу, Оуу2 - дополнительные напряжения в точках зон ПГД.

Для выявления количественной оценки безопасных условий труда производственный травматизм анализировался по совмещенным планам горных работ в масштабе 1:2000, на которые наносились зоны ПГД и случаи травмирования. При необходимости использовался масштаб 1:500. Поскольку в технической литературе и нормативных документах нет методики анализа травматизма в зонах ПГД, впервые автором предлагается методика оценки случаев травмирования в этих зонах по параметру К. По каждому случаю травмирования графически определялись значения коэффициента концентрации напряжений К. При статистическом исследовании эмпирической выборки значений коэффициента концентрации напряжений по каждому случаю травмирования и глубины ведения горных работ в зонах ПГД, были рассчитаны следующие характеристики: среднее арифметическое значение (х)> дисперсия (О) й среднее квадратичное отклонение (Б). Для определения отличия изучаемого распределения от нормального распределения рассчитывались асимметрия (А$) и эксцесс (Ек).

Построенные частотные гистограммы

распределения и рассчитанные статистические характеристики позволяют сделать следующие выводы. Частотная гистограмма распределения глубин ведения горных работ в зонах ПГД, йг которых произошел рост травматизма, показывает, чтс наибольшие значения находятся в пределах от 585 до 668 м Частотная гистограмма распределения значений К показывает

что наибольшая повторяемость случаев травматизма приходи ю< на интервал значений 1,4- 1,7.

Исследованиями установлен закономерный рос I производственного травматизма при увеличении значений коэффициента концентрации напряжений (К) как в зонах повышенного горного давления (ПГД), так и в зонах опорной» давления (ОД) от ранее отработанных соседних лав. В анализируемых выемочных полях произошел 71 случай травмирования в зонах ПГД и 19 в зонах ОД. Наибольшее число случаев травмирования произошло при значениях К>1,7 в зонах ПГД (61,9 %) и в зонах опорного давления (55,6 %). Таким образом, выяснилось, что зонам опорного давления в соседних выемочных столбах необходимо уделять самое серьезное внимание. Во всех материалах зоны опорного давления выделяются как отдельный объект исс;.одований.

Другой характер влияния зон ПГД на производственный травматизм имел место на шахте "Заполярная" в период 1994 1996 гг. при отработке выемочных полей лав 1!4-с пласт Тройного и 214-е пласта Четвертого. Осложнения при отработке этих выемочных полей, произошедшие в результате взаимного влияния зон ПГД от их краевых частей, привели к необходимости выполнения дополнительных работ по перекреплению выемочных выработок в сложных условиях и усилению сопряжений этих очистных забоев (верхнею сопряжения лавы 214-е и нижнего сопряжения лавы 114-е) Взаимное влияние зон ПГД произошло по причине недостаточного опережения по падению очистных работ нижележащего пласта, составившего на момент отработки лав 70 м. В результате произошло наложение зон ПГД на участке 20 м по падению и резко ухудшилось состояние конвейерного штрека 114-е пласта Тройного за лавой и вентиляционного штрека 214-е пласта Четвертого впереди лавы, а высота выработок уменьшилась до 0,6 и 1,5 м соответственно по пластам Тройной и Четвертый. Возникла необходимость выполнения дополнительных работ по перекреплению этих выработок в сложных условиях. Изложенные выше обстоятельства привели к росту травматизма на участках

нижнего сопряжения лавы 114-с и конвейерного штрека 114-пласта Тройного, верхнего сопряжения лавы 214-с вентиляционного штрека 214-с пласта Четвертого до 25 случае из 46 случаев травмирования за весь период отработки с 1994 и 1996 гг. В дополнение к выявленному росту производственног травматизма в зонах ПГД установлено, что ро< производственного травматизма происходит в зонах опорног давления и в результате наложения зон ПГД. .

В процессе аналитических исследований в дополнение изложенным выше выявлены три области, опасные г травматизму:

- зоны повышенного горного давления (зоны ПГД);

- зоны опорного давления (зоны ОД);

- участки взаимного влияния (наложения) зон ПГД.

В результате предварительной оценки напряжений анализа травматизма установлено, что зоны ПГД и опорно! давления разделяются по степени опасности производственно) травматизма. Наиболее рационально их разделить г следующим значениям коэффициента концентрации напряжени

1 - высокая опасность, К > 1,7;

И- повышенная опасность, К = 1,4 -г 1,7;

III- потенциальная опасность, К < 1,4.

Участки, на которых наблюдается наложение зон ПГ, следует отнести к .категории с высокой степенью опасности I производственному травматизму.

Таким образом, в результате аналитических исследован! и практической проверки в шахтных условиях, установлено, ч количественная оценка безопасных условий ведения горнI работ в зонах ПГД с высокой степенью достоверности мож определяться геометрическими параметрами этих зон напряжениями в них, характеризуемыми коэффициент« концентрации напряжений.

Исследования условий труда в зонах ПГД показывай что основным направлением повышения безопасности горш работ в этих зонах является, в первую очередь, управлен напряженно-деформированным состоянием (НДС) горно

массива, влияющим на рос] показа 1 елей производственного травматизма. В процессе аналитических исследований существующих методов и способов управления НДС горного массива автором составлена "Классификация методов и способов управления напряженно-деформированным состоянием горного массива", учитывающая одно- и многофакторные воздействия, охватывающая 12 основных видов воздействия и 48 способов управления состоянием горного массива с указанием их области применения в локальном и региональном вариатач. с поверхности и из подземных горных выработок. Следует отметить, что из 48 способов управления НДС горного массива, учтенных классификацией, только 50 % включены в нормативные документы для применения из подземных горных выработок. Все методы и способы управления НДС горного массива с поверхности в основном являются экспериментальными, многие из них прошли испытания на шахтах угольных отраслей России, СНГ, США и др. Необходимо отметить, что в настоящее время отсутствует нормативный документ, регламентирующий условия, область и параметры применения существующих методов и способов управления НДС горного массива в зонах ПГД, позволяющих исключить или снизить производственный риск, в том числе и на пластах, не склонных к динамическим и газодинамическим явлениям, независимо от глубины ведения горных работ. Действующие нормативные документы не предусматривают применения известных, в том числе прошедших испытания и не вошедших в нормативные документы, методов управления НДС горного массива применительно к зонам ПГД. Эффективность методов управления НДС горного массива, как показывает отечественный и зарубежный опыт, достигается сочетанием и определенной последовательностью применения нескольких способов управления состоянием массива, проводимых заблаговременно. По результатам проведенных автором аналитических исследований было предложено использовать комбинированное воздействие на углепородный массив в зона> ПГД для снижения концентрации напряжений и, как следствие производственного травматизма. В качестве одного из решений

обеспечивающих высокую эффективность управления НДС горного массива, было предложено комбинированное воздействие, включающее в себя гидроимпульсное и взрывогидродинамическое воздействия с последующим гидроразрывом. Одним из основных параметров, определяющих эффективность снижения концентрации напряжений в зоне ПГД, является рациональное расположение скважин с учетом наличия угольных пропластков и концентрации напряжений в них. Проведенные исследования показали, что эффективность снижения напряжений в зонах ПГД определяется рядом параметров, отличающихся от параметров, используемых при разупрочнении труднообрушаемых кровель.

Замерами напряжений с помощью деформометров, устанавливаемых в скважинах и располагаемых в зонах ПГД, в сопоставлении с принятыми параметрами комбинированного воздействия и результатами наблюдений в очистных забоях установлено следующее.

1. Расстояние между скважинами на участках пересечения угольных прослойков определяется выражением:

С = К Яэф., (2)

где К- коэффициент концентрации напряжений;

Иоф. - эффективный радиус увлажнения, м;

....... •

Иэф = V (^Обш / я1ф ПЪф , (3)

где С^общ - общий объем жидкости, закачанной в скважину, м3;

1ф - длина фильтрующей части скважины, м; и

Шэф — (0,04 *- 0,08) Шо (4)

ш0-открытая пористость, доли единицы.

2. Расстояние от границы целика до скважин на участках пересечения угольных прослойков определяется выражением:

С = 0,4 л +

(5)

где п - ширина защитной зоны на влияющем пласте , м;

3. Наибольший эффект по снижению концентрации напряжений наблюдается при расположении забоев скважин под целиком или краевой частью на расстоянии 1т, определяемом экспериментально-аналитическим выражением:

где К - коэффициент концентрации напряжений на участках пересечения угольных прослойков; р - плотность пород МН/м3; g-ускорение свободного падения, м/с2; Н - глубина от земной поверхности до угольных прослойков, в которых располагаются торпедозаряды, м; стр - средневзвешенная прочность пород при разрыве на участке расположения торпедозарядов, МПа.

Оценка эффективности комбинированного воздействия в зонах ПГД производилась по двум известным методикам: ДГ1И (В.И. Черняев) и ВНИМИ (по удельному выходу буровой мелочи). Расчет напряжений по методике производился на компьютере INTEL 486 DX4-100 по программе, разработанной автором в Microsoft Excel 5,0, при этом нормальные , к напдастованию напряжения, по удельному выходу буровой мелочи определяются конечной формулой:

где К„.с. - предельное сопротивление угля сдвигу, МПа; Р -радиальный параметр области неупругих деформаций вокруг скважины. В результате предварительной оценки напряжений в зонах ПГД, до проведения комбинированного воздействия на углепородный массив и после его проведения, в условиях" шахт "Юр-Шор" и "Юнь-Я1а" установлено, что происходит снижение концентрации напряжений в 1,54 - 1,68 раза. Исследованиями установлена высокая сходимость результатов количественной оценки напряжений, по изложенным двум методикам (в среднем

(б)

о = КП1 ( 1 + 2 In р ),

(7)

6,7 %). что позволяет использовать эти методики в практических целях, для предварительной оценки состояния горного массива в зонах ПГД. Анализ производственного травматизма показал, что после применения комбинированного воздействия в зонах ПГД произошло радикальное его снижение:

- при отработке двух выемочных полей в западном крыле шахты "Юр-Шор". с применением комбинированного воздействия в зонах ПГД, произошел всего один случай травмирования; в то же время при отработке трех выемочных полей в восточном крыле этой шахты без применения комбинированного воздействия в зонах ПГД, произошло 19 случаев травматизма;

- при отработке выемочного поля 332-с пласта пп на шахте "Юнь-Яга", до применения комбинированного воздействия в зонах ПГД произошло 5 случаев травматизма, а после его применения - ни одного.

После применения комбинированного воздействия в зонах ПГД высота вывалов пород кровли в исследуемых очистных забоях уменьшилась с 3,0-5,0 м до 1,0 м и менее и были созданы условия для безопасного ведения работ.

Дополнительно исследованиями установлено, что применение ппраметров только одной технологии гидромикроторпедирования (ГМТ) в зонах ПГД также не снижает производственный травматизм. Так, при отработке выемочных полей с применением ГМТ в зоцах ПГД на шахтах "Юнь-Яга" (лава 232-с пласта пц) и "Центральная" (лава 223-з пласта Пятого) произошло 7 и 9 случаев травматизма соответственно.

Таким образом, в процессе аналитических исследований и практической проверки в шахтных условиях установлено, что комбинированное воздействие на углепородный массив в зонах ПГД снижает концентрацию напряжений в среднем в 1,6 раза, что повышает безопасность и эффективность ведения горных работ. В процессе исследований выявлена необходимость разработки системы управления безопасностью, которая учитывала бы конкретные условия и была обязательной при

ведении горных работ в зонах ПГД. Основные направления функционирования этой системы описываются ниже.

На шахтах Печорского бассейна в зонах ПГД в основном применяются следующие меры безопасности: проведение присечек вдоль очистного забоя; полная затяжка кровли; выкладка "костров"; опережающая крепь из брусьев, рельсов и спецпрофиля; анкерование пород непосредственной кровли и др. Следует отметить, что при отработке тонких пластов Воркутского месторождения анкерная крепь в очистных забоях применялась впервые. Автором были разработаны паспорта крепления с применением химических анкеров. Как показали исследования, эти меры, выполняемые раздельно или в сочетании друг с другом, без применения методов и способов управления напряженно-деформированным состоянием углепородного массива в зонах ПГД, существенно не повышают безопасность ведения горных работ. Применение параметров технологии гидромикроторпедирования (ГМТ) в зонах ПГД также не снижает производственный травматизм. Взаимное влияние зон ПГД из-за недостаточного опережения по падению очистных работ нижележащего пласта приводит к росту производственного травматизма.

В результате исследований и практической проверки в шахтных условиях автором разработана система управления безопасностью ведения горных работ в зонах ПГД, основными элементами которой являются:

1) анализ горнотехнических условий по совмещенным планам на стадии планирования горных работ;

2) выяснение наличия целиков и краевых частей на смежных пластах и их расположения относительно выемочного столба;

3) расчет геометрических параметров зон ПГД и

нанесение их на совмещенные планы горных работ;

4) количественная оценка напряженного cor *яния массива в зонах ПГД по максимальной концентрации нормальных к напластованию напряжений;

5) определение степени опасности участков зон ПГД по производственному травматизму:

I- высокая опасность, К> 1,7, или участки наложения зон ПГД;

II- повышенная опасность, К = 1,4 ч- 1,7;

III- потенциальная опасность, К < 1,4;

6) нанесение на совмещенные планы горных работ участков зон ПГД I и II степени опасности по производственному травматизму;

7) анализ конкретной горнотехнической ситуации по каждой выделенной зоне ПГД;

8) разработка комплекса мер, включающего в себя:

- управление напряженно-деформированным состоянием углепородного массива с целью снижения концентрации напряжений;

- определение оптимальных параметров опережения очистных забоев смежных пластов по падению (восстанию), исключающих наложение зон ПГД от их краевых частей;

- применение анкерной крепи на концевых участках и в местах возможных вывалов пород кровли в очистном забре.

На участках зон ПГД с III степенью опасности необходимо вести наблюдения за состоянием массива и при необходимости применять анкерное крепление в местах вывалов пород кровли. Алгоритм применения системы управления безопасностью в зонах ПГД приведен на рис. 1.

По мере осуществления разработанных мероприятий по управлению состоянием углепородного массива постоянно осуществляется обратная связь: ведутся наблюдения за состоянием массива пород, при необходимости в определенные параметры оперативно вносятся конкретные изменения.

Разработанная система не исключает возможности применения других методов г. способов для управления состоянием массива пород в зонах ПГД. Общая структура предложенной системы при этом будет сохраняться неизменной.

В предлагаемую систему управления безопасностью ведения горных работ в зонах ПГД включен разработанный автором комбинированный метод управления напряженно-деформированным состоянием углепородного массива, который

Рис. I. Алгоритм применения системы управдрпия безопасностью в зонах ПГД.

Условные обозначения к рис. } Персии» atvniuui: 1-ирш»чю решение a u5n4.it.mm ulkvh, ¿-нунчиие.ча! .uui шч t о)>но1с.л:н!>ю(,> их yoniUiiii но.соимеШсшшм п:мм.<м Гчрпм.Ч, p.ióni нц ria.iiiii няинпронанин, 3-1)роил1слеп aii.unii i upnu-ieo-ioi нчеекпх услоилч сшдгш илан.'.рри.ишм юриих p.»Сот: ^-иыхи.чою »¿jjHjjie >донкоя üa cmcaiilia íi;iji*ijv; 5- ииявлон» »ы.ыч/и' >р.ю>мд jl-ji на C'-tC Ж) IM X H.'I.ICI а* , í'-npott illC/ICK pac'l--Г ílOMiTipiHK . Hl\ ПДраМСфоЬ -iu|| ПГД. 7-opi аицюи.ии экспл v.iraunoim.iK ржл>сдка на учаегкзх xjpc.i:. o.iai jr м rú Н-'шмшм juii 11! ¡, Й-opi лимон ano (мсюяпнос n.ió пидепие да состоянием мии.и...< л ¡ы yiuL-iv.is прели.)чл а<.м<л о и «мчнпя joii ПГД: (^-про1Им«дснл коднчесщснная тикнка НДС й юнах ПГД но юмипир.тпп i юр ); мх к п.ииасчоваппю напряжении; Hí-iouii ПГД u.incieni: па шимешеннме h :аны i 4'piu is paíui i. \ 1-Ru*u.tctiu ynacrvu коложеш» jou 1 tl Д; 12-«.г.ц>еле;и:Па степень uh^uik-ih viseixuii чип J ¡ГД по пречиаодешеннояу ipauMii ¡11 iMy; i 5 -ы мелет : ) ч.^ткн Í счспиш oM.iirnot'iji iK>\.7 или наложение зон ПГД). 14- i n ;слены ум.ачщ П сгин ни onatiiui-jii <K= t .4— f ,7) 1 5-M M&icsill учалки Ш степени опасности (К< I,-í; 16-ца солчсшенш ie планы горнил paóor нанесены участки зон ПГД I и II гЛ.н-нИ он ас пост Но пронпюдсчьсниочу травм annnv. 17-оргаШпоиано наблюдение ч a \ чдлхамн 111 о е. к ни oiiuviiucni; IЬ-про|ивс;ии диализ конкретной горногсхннческ. Й ситуации по видетспмиму

участку, i V-п; ttnjíTo решение о ptupaGorve комп ickcj. мер, обе^лечивамашх беюпашллъ lopiikjx paGor на конкретных участках: ¿й-разраСлапы мсропрняпи по >праилепик» НДС ) гпепороднщ о маостш; 21-опрсделсни «нпнмалим» и параметры оасрежсни* очистных. ибиса смежных нлэсю» 110 надежно (иосст а ни к>), исключающие наложение зоч о: крдеиыч числен;

viacrvu. на которых необходимо прнмехяп- анкернс-.< креп ' пне; 23-осушесп мероприятия по улраьлению НДС j rjeiiopo;iuoi о nacuma. 24-t óc-ы.ч '..но

соблюдение oimina-ikiwi о опережения очистных п оев смежны«. iu«cioi>, ¿э-рафиСоитд др>гис /Ч OK аЛЫ 1 »•!<• ЫсрОЛрНХТШ! lia учаегхах 111 (ЛСПС1Ш iHiatjlOCIH 26-pajpaói* 1 апы iiupúMcipM ühki pi юго K¡ temía; 2 7-обеспсчсно bl. полис лис ликалтыд мерси ipiunui; 2£-ol> uictTb 'isck< применение анкерного крепче».-к; ?v-u программу попохаи^н наблюдении пкдючемм выработки. в которых ос;- и^тмами.* мероприятия; ЗЬ-оисича ьынолнипа соою uputpaMuy.

прошел испытания на шахтах Печорского бассейна \> положительно себя зарекомендовал.

Для предложенного автором метода управления НДС е зонах ПГД на шахтах имеется необходимое оборудование заводского изготовления, допущенное к применению в горньо выработках шахт по условиям взрывобезопасности. На стад!^ планирования горных работ при отработке свит угольны? пластов, независимо от глубины ведения горных работ ^ опасности пластов по динамическим и газодинамические явлениям предлагаемая система управления безопасностью I зонах ПГД должна применяться при обязательном выполнена основного условия: следует строго соблюдать ее комплексность \ использовать только в полном ее объеме. В случае невыполненш на шахтах полного объема требований, изложенных в систем* управления безопасностью, ведение горных работ должнс запрещаться.

Таким образом, в результате исследований разработанг система управления безопасностью ведения горных работ в зона> ПГД, основанная на прогнозе степени опасности этих зон пс производственному травматизму и управлении напряженно деформированным состоянием углепородного массива I сочетании с рациональным опережением очистных забое! смежных плаиов. При необходимости, в зависимости от конкретных условий, система в качестве одной и: дополнительных мер предусматривает применение анкерногс крепления.

Предлагаемая система управления безопасностьк позволяет на стадии планирования прогнозировать степеш опасности условий труда при ведении горных работ в сложны? условиях, разрабатывать конкретные технические решения пс управлению напряженно-деформированным состоянием горногс массива и обеспечивает безопасные и эффективные условш труда.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научной квалификационное работой, в которой содержится новое решение задач*

>азработки системы управления безопасностью в зонах ПГД, юзволяющей радикально снизить производственный равматизм в этих зонах, имеющей важное значение для гольной промышленности стран СНГ и Европы. Основные ручные выводы и практические результаты заключаются в ледующем:

!. Установлено, что травматизм в зонах ПГД является |дним из доминирующих факторов и составляет, например, в )АО "Воркутауголь" 23,5 % о г травматизма на подземных >аботах, в АО "Интауголь" - 34,5 %.

2. Установлено влияние параметров зон ПГД на оказатели производственного травматизма в этих зонах, включающееся в следующем:

- при переходе горными работами зон ПГД происходит ост показателей производственного травматизма независимо от лубины ведения горных работ и степени опасности угольных ластов по динамическим и газодинамическим явлениям;

- происходит как явное, так и скрытое влияние зон ПГД а причины и характер производственного травматизма;

- при ведении очистных работ в зонах ПГД приходится в реднем 0,44 случ. / 10 тыс. тонн добытого угля, а вне зон ПГД тот показатель составляет - 0,16 случ. / 10 тыс. тонн;

3. Разработаны методики количественной оценки степени пасности зон ПГД по производственному травматизму и пучаев производственного травматизма, учитывающие онфигурацию этих зон и значения коэффициента концентрации анряжений в них.

4. Определены и испытаны на шахтах ОАО Воркутауголь" оптимальные параметры технологии управления апряженно-деформированным состоянием углепородного ассива в зонах ПГД, заключающейся в заложении скважин для оздействия на горный массив с учетом залегания наименее рочных литотипов и их напряженного состояния.

5. Установлено, что на участках зон ПГД с применением гхнологии управления НДС происходит снижение роизводственного травматизма в 3,8 раза по сравнению с частками этих зон, в которых не применялось управление НДС

углепородного массива, при этом суточная нагрузка на очистной забой возрастает в 2,7-3 раза.

6. Разработаны оптимальные параметры рационального опережения по падению очистных забоев смежных пластов в условиях Воркутского месторождения, исключающие наложения зон ПГД от краевых частей пластов Тройного и Четвертого, определяемых в установленном порядке, при графическом построении на разрезе вкрест простирания. В связи с тем Что в "Указаниях по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР"" (Л., 1986) эти параметры не учитываются, авторов предложено учесть это условие при подготовке новой редакции Указаний.

7. Разработаны оптимальные параметры применения анкерной крепи в очистных забоях и на концевых участках, которые учтены при составлении "Временной инструкции по расчету и применению анкерной крепи на шахтах Печорского бассейна" (С-Пб., 1995).

8. Достигнуто повышение безопасности горных работ в зонах ПГД путем заблаговременного применения комплекса" Мер, включающих в себя гидроимпульсное и взрывогидродц..амическое воздействия с последующим гидроразрывом наименее прочных литотипов, что приводит к образованию системы трещин, связанной с выработанным пространством отрабатываемой лавы, и снижению концентрации напряжений в 1,6 раза.

9. Разработана система управления безопасностью ведения Торных работ в зонах ПГД, основанная на прогнбзе степени опасности этих зон по производственному травматизму и управлении напряженно-деформированным состоянием углепородного массива в сочетании с рациональным опережением очистных забоев смежных пластов. При необходимости, в зависимости от конкретных условий, система предусматривает в качестве одной из дополнительных мёр применение анкерного крепления.

10. Внедрен комплекс технологических мероприятий, разработанных в • диссертации, позволяющий Достигнуть значительного социального эффекта от снижения

производственного травматизма в 3,8 раза; только по трем иштзм ОАО "Воркутауголь" исключается ущерб от травматизма в сумме 1,389 млрд. руб. в ценах 111 кв. 1997 года; повысилось качество угля за счет снижения разубоживания его вмещающими породами; исключены демонтажи-монтажи комплексов и проведение дополнительных горных выработок при переходе зон ПГД; дополнительно вовлечены в отработку -запасы углей в объеме 388,1 тыс. тонн угля, залегающие в сложных горно-геологических условиях. Экономический эффект от вовлечения в разработку дополнительных запасов угля составляет около 76,65 млрд. руб. в ценах IV кв. 1996 года.

11, Разработанные технические и технологические предложения могут найти применение при отработке свиты угольных пластов на шахтах Печорского, Кузнецкого бассейнов, а также на угольных месторождениях других бассейнов Российской Федерации, стран СИГ и Европы.

Основные положения диссертации опубликованы п следующих работах:

1. Вериигор В.М. Разработка способов снижения напряжений ¡з зонах повышенного горного давления (ПГД): Совершенствование методов разведки и добычи полезных ископаемых Крайнего Севера, Сыктывкар, 1988. - С. 51-52.

2. Вернигор В.М., Ардашев К.А., Борисовец В.А., и др. Временная инструкция по расчету и применению анкерной крепи на шахтах Печорского бассейна. Л., 1995.-60 с.

3. Вернигор В.М. О проблеме управления напряженно-деформированным состоянием горного массива при подземной разработке свиты угольных пластов на глубоких горизонтах шахт Воркутского месторождения: Народное хозяйство Республики Коми. № 1-2, т. 4, 1995. - С. 91-95.

4. Вернигор В.М., Субботин А.И. Влияние тектонических и горнотехнических условий на динамические и газодинамические явления: Безопасность груда в промышленности. № 6, 1996. - С.. 25-27'..

5. Вернигор В.М., Субботин А.И. Предупреждени взаимовлияния горных работ при разработке сближенны неиодрабатываемых пластов: Безопасность труда промышленности. № 7. 1996. - С. 39-40.

6. Вернигор В.М. Влияние зон ПГД на производственны травматизм // Безопасность труда в промышленности. № 6. 199' - С. 24-26.

7. Вернигор В.М., Кротов Н.В., Дупак Ю.Н., Веселов А.Г Геодинамическая оценка отработки мульдовой част Воркутского месторождения // Проблемы геодинамическо безопасности. II Международное рабочее совещание 24-27 июн 1997 г.-С-Пб.: ВНИМИ, 1997.-С. 120-122.

8. Вернигор В.М. Основы прогноза степени опасност условий труда в зонах ПГД на стадии планирования горны работ // Безопасность труда в промышленности. № 7, 1997. - ( 19-21.

9.Вернигор В.М., Кротов Н.В., Дупак Ю.Н., Веселов А.Г Проблемы геодинамической безопасности на шахтах Воркуты Материалы X Межотраслевого координационного совещания п проблемам геодинамической безопасности 6-9 октября 1997 г. Екатеринбург, 1997. - С. 43-48.

Подписано в печать 20.10.97 Формат 60x90/16

_Объем 1 п.л. + 2 вкл. Тираж 100 зкз. Заказ № 281_

Типография Московского государственного горного университета Москва, Ленинский пр., 6