Научный журнал
Международный журнал экспериментального образования
ISSN 2618–7159
ИФ РИНЦ = 0,839

ПРОФИЛАКТИКА АВАРИЙНОСТИ КАК СЛЕДСТВИЯ ГОРНЫХ УДАРОВ В РУДНЫХ И УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ

Цыганков Д.А. 1
1 Институт горного дела им. Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук (ИГД СО РАН)
1. Портола В.А., Бурков П.В., Гришагин В.М., Фарберов В.Я. Безопасность ведения горных работ и горноспасательное дело. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. – 201 с.
2. Statista. The Statistical Portal [Электронный ресурс], 2015. – Режим доступа: http://www.statista.com/, свободный. – Загл. с экрана.
3. USGS. U.S. Geological Survey [Электронный ресурс], 2015. – Режим доступа: http://www.usgs.gov/, свободный. – Загл. с экрана.
4. Minerals UK [Электронный ресурс], 2015. – Режим доступа: http://www.bgs.ac.uk/mineralsUK/statistics/worldStatistics.html/, свободный. – Загл. с экрана.

Рудные шахты

Аварийная опасность производственных объектов и процессов рудных шахт находится в зависимости от горно-геологических условий разработки месторождений полезных ископаемых, возможностей устранения проявлений природных и техногенных факторов при существующих технологиях ведения горных работ, эффективности функционирования систем противоаварийной защиты, а также уровня подготовки производственно-технического персонала. Наличие и всевозможные проявления опасных факторов, особенности их взаимодействия между собой определяют виды, места возникновения, характер протекания, а также последствия производственных аварий для технологической цепи горного предприятия и человека [1].

Мировая практика показывает, что наибольшие потери рабочего времени в рудных шахтах, обусловленные производственными авариями, наступают в следствие ударов и падений рабочих (26,1 %), обработки ими материалов производственно-технологического назначения (21,1 %), а также обрушений руды и вмещающих горных пород (17,1 %). Далее следуют работы по обслуживанию машин и механизмов (10,1 %), механизированная перевозка людей и грузов (10,1 %), работа ручными инструментами (8,3 %), а также прочие причины (7,2 %) [2].

Общие потери рабочего времени, обусловленные нетрудоспособностью, являющейся следствием производственного травматизма от обрушений руды и вмещающих горных пород, стоят на третьем месте, а травматизм со смертельным исходом по этой же причине – на первом (39,8 %). Второе место занимают несчастные случаи, связанные с транспортированием руды, вмещающих горных пород и материалов производственно-технологического назначения (27,2 %). Далее следуют работы по обслуживанию машин и механизмов (10,6 %), а также все прочие причины (22,4 %) [2].

Среди множества причин, вызывающих производственные аварии в рудных шахтах, лидирующую позицию занимают обрушения руды и вмещающих горных пород (27,3 %), за которыми следуют транспортирование людей и грузов (27,1 %), а также обслуживание машин и механизмов (19,3 %). Далее следуют падения людей (14,4 %), их поражения электрическим током (5,4 %), пожары и взрывы (2,4 %), а также прочие причины (4,1 %) [2].

Мировой опыт подземной разработки руд чёрных металлов свидетельствует о том, что наибольшее количество аварий, являющихся следствиями нарушений технологий ведения горных работ, происходит в подготовительных и очистных выработках.

Основной причиной производственного травматизма и аварийности в подготовительных выработках являются обрушения руды и вмещающих горных пород (64 %), а также обрушения, происходящие в местах их сопряжений с очистными при уборке породы, оформлении забоев (14 %), а также креплении и перекреплении (22 %) [2].

В очистных горных выработках основной причиной производственного травматизма и аварийности также являются обрушения руды и вмещающих горных пород (68 %). Отличие заключается в увеличении их доли до 68 %. Далее следуют работы по обслуживанию машин и механизмов (15 %), пожары и взрывы (12 %), а также падения (4 %) и прочие причины (1 %). Здесь более чем в два раза сокращаются аварии, связанные с ремонтом постоянной крепи, но возникает проблема безопасности установки и обслуживания временной [2].

В связи с тем, что аварийность при подземной добыче руд чёрных металлов продолжает оставаться на высоком уровне, в ряде случаев превышая уровень добровольного риска, в практику горного дела необходимо внедрение ряда профилактических мероприятий, которые могут заключаться в следующем.

1. При вскрытии месторождения необходимо отдавать предпочтение увеличению высоты этажа для снижения общего количества подземных горных выработок и связанному с этим сокращению числа их сопряжений, а также объёмов взрывных работ, уборки породы, оформления забоев, крепления и перекрепления.

2. С той же целью необходимо отдавать предпочтение простым способам вскрытия месторождения, а при необходимости использования комбинированного – сокращать количество и увеличивать высоту его ступеней.

3. Для обеспечения устойчивости сопряжений капитальных и участковых горных выработок, улучшающейся при совместном креплении горных пород с одинаковыми физико-механическими свойствами, при панельной схеме подготовки горизонтальных и пологих залежей откаточные и вентиляционные штреки необходимо стремиться проходить только по руде или породе.

4. При этажной подготовке наклонных и крутопадающих залежей необходимо отдавать предпочтение подготовке только одним штреком по руде или породе, поскольку подготовка несколькими штреками и ортами ведёт к увеличению количества сопряжений подземных горных выработок, а также объёмов взрывных работ, уборки породы, оформления забоев и работ по креплению.

5. Для снижения общей аварийности подземного горного производства необходимо отдавать предпочтение обратному порядку отработки запасов месторождения, поскольку сокращается количество и длина поддерживаемых выработок основного горизонта, погашаемых при отработке блоков в направлении от флангов к центру.

6. При необходимости использования комбинированного порядка отработки запасов месторождения, необходимо отдавать предпочтение перенесению меньшей нагрузки на крыло, в котором отработка ведётся в прямом порядке.

7. При отработке мощных залежей в пределах блока необходимо отдавать предпочтение восходящему порядку выемки руды, предусматривающему отработку запасов в направлении снизу-вверх в сочетании с закладкой, магазинированием руды или креплением очистного пространства, которые повышают общую устойчивость массива горных пород и снижают аварийность горных работ при подземной добыче руд чёрных металлов.

Основной особенностью проявлений горного давления при подземной разработке руд чёрных металлов являются динамические явления природного или техногенного происхождения, выступающие в форме горных ударов. При подземной разработке руд чёрных металлов это горно-тектонические удары, собственно горные удары, микроудары, толчки и стреляния.

Объём добычи железной руды в мире за последние два с половиной десятилетия увеличился более чем в три раза. Железная руда является наиболее востребованным сырьём для чёрной металлургии. Рост объёма её производства в мире обеспечивается, прежде всего, странами BRICS и достигает 3,5 млрд т в 2015 г. [3].

Вместе с этим доля аварий, являющихся следствием возникновения горных ударов при добыче железной руды подземным способом, увеличилась в два с половиной раза и достигла примерно 60 % от их общего количества в 2010–2012 гг. [2].

Объём производства марганцевой руды в мире за период 1992–2015 гг. возрос примерно в пять раз. Марганцевая руда является вторым по объёмам потребления сырьём чёрной металлургии после железной. Увеличение объёма её производства, главным образом, связано с наращиванием добычи в странах BRICS и достигает почти 50 млн т в 2015 г. [3].

Доля аварий, являющихся следствием возникновения горных ударов при добыче марганцевой руды подземным способом, выросла более чем в два раза и достигла примерно 70 % от их общего количества в 2007–2010 гг. [2].

Мировое производство хромовой руды за рассматриваемый период постоянно росло и увеличилось примерно в два с половиной раза. Она является третьим по объёмам потребления сырьём чёрной металлургии. Увеличение добычи хромовой руды связано с ростом её востребованности на мировом рынке и достигает 30 млн т в 2015 г. [3].

Рост количества аварий, являющихся следствием возникновения горных ударов при добыче хромовой руды подземным способом, не превысил полутора раз [2].

Отраслевой травматизм с летальным исходом при подземной разработке руд чёрных металлов продолжал оставаться на высоком среднем уровне (6,5 %), достигнув максимума в 2009–2011 гг. (8,5 %) [2].

Экономический ущерб горных предприятий по подземной разработке руд чёрных металлов, являющийся следствием возникновения горных ударов, находился на высоком уровне, достигнув максимума в 2010–2012 гг. (13,5 %) [3].

Тенденция повышения объёма добычи железной, марганцевой и хромовой руды связана с увеличением потребности в чёрных металлах на мировом рынке, а также применением технологий подготовки и добычи полезного ископаемого, учитывающих широкий диапазон физико-механических свойств руд и вмещающих горных пород.

В настоящее время основными факторами, способствующими росту возможности возникновения горных ударов, а также увеличению уровня травматизма и экономического ущерба при подземной разработке руд чёрных металлов являются.

1. Большие глубины разработки, достигающие 3500 м.

2. Сложность и непостоянство форм залегания рудных тел.

3. Использование этажного способа подготовки шахтных полей к выемке.

4. Большие объёмы одновременно применяемого взрывчатого вещества при отбойке полезного ископаемого.

5. Транспортирование отбитого полезного ископаемого под действием собственного веса.

6. Эксплуатация участковых горных выработок без крепления.

7. Управление горным давлением с помощью полного обрушения руды и вмещающих пород, а также оставления выработанного пространства недр без крепления и закладки.

Наиболее эффективным путём снижения возможности проявления динамических явлений, а также аварийности и экономического ущерба в условиях увеличивающегося объёма добычи руд чёрных металлов является внедрение технологий подготовительных и добычных работ с параметрами, снижающими или исключающими возможность возникновения горных ударов.

При подземной разработке руд чёрных металлов такими параметрами являются.

1. Использование подэтажного способа подготовки шахтных полей к выемке.

2. Применение технологий отбойки полезного ископаемого, предусматривающих снижение объёмов одновременно применяемого взрывчатого вещества и исключающих его транспортирование под действием собственного веса.

3. Сокращение количества участковых горных выработок при увеличении объёмов их постоянного и временного крепления.

4. Управление горным давлением с помощью регулирования режима обрушения руды и вмещающих горных пород, закладки выработанного пространства недр породой или магазинирования отбитой руды.

Угольные шахты

Безопасность человека и производственных процессов угольной шахты определяется горно-геологическими условиями выемки пластов, зависит от возможностей устранения проявлений опасных природных и техногенных факторов при существующей технологии ведения горных работ, а также эффективности функционирования системы противоаварийной защиты и квалификации производственного персонала. Всевозможные проявления имеющихся опасных факторов, а также результаты их взаимодействия между собой и с окружающей производственной средой определяют виды, места возникновения, характер протекания и степень тяжести последствий аварий для человека и производственно-технологической цепи горного предприятия [1].

Мировой опыт свидетельствует о том, что наибольшие потери рабочего времени в угольных шахтах происходят в результате временной нетрудоспособности, возникающей в следствие нарушения правил техники безопасности выполнения операций по обработке материалов производственно-технологического назначения (30,4 %). За ними следуют потери рабочего времени, полученные в результате ударов и падений рабочих (19,1 %), обрушений угля и вмещающих горных пород (14,8 %), работ по обслуживанию машин и механизмов (11,4 %), механизированной перевозки людей и грузов (11,2 %), работ ручными инструментами (6,1 %), а также прочих причин (7 %) [4].

По результатам анализа статистических данных главными причинами травматизма со смертельным исходом являются обрушения угля и вмещающих горных пород (27,6 %), взрывы метана и угольной пыли (27,6 %), а также транспортирование людей и грузов производственно-технологического назначения по подземным горным выработкам (21,9 %). Далее следуют работы по обслуживанию машин и механизмов (8,6 %), а также остальные причины (14,3 %) [4].

Согласно результатам анализа мировых тенденций, приводится структура причин, обусловливающих аварии в угольных шахтах, оказывающие негативное воздействие на человека и производственно-технологическую цепь горного предприятия.

Здесь главную роль играют пожары внешнего (23,8 %) и внутреннего (21,7 %) происхождения, а также обрушения угля и вмещающих горных пород (14,8 %), дополняемые взрывами (14 %), а также выбросами (1,9 %) угля, газа и пыли. Прочие подземные причины, а также случаи на поверхности шахт составляют по 11,9 % [4].

Исходя из результатов анализа мировых статистических данных наибольшее количество аварий производственно-технологического характера происходит в подготовительных и очистных горных выработках. Производственные процессы на поверхности шахт и во вскрывающих горных выработках – наименее опасны для человека и технологической цепи горного предприятия.

В подготовительных выработках, проходимых по полезному ископаемому, наибольшую опасность представляют выбросы угля, газа и пыли, возникающие во время ведения горнопроходческих работ (35 %). На втором месте стоят обрушения угля и вмещающих горных пород (28 %), а на третьем – взрывы угля газа и пыли (26 %). Далее следуют подземные пожары (9 %) и прочие причины (2 %) [4].

Исходя из анализа статистических данных мировой практики, производственные аварии, вызванные обрушениями угля и вмещающих горных пород, являются одними из наиболее опасных по характеру своего воздействия на человека и производственно-технологический процесс. Аварии, вызываемые пожарами, а также взрывами угля, газа и пыли, могут носить тяжёлый и разрушительный характер, но они встречаются реже тех, которые связаны с ненадлежащей степенью обеспечения устойчивости массива горных пород при проведении технологических процессов подземной разработки угольных месторождений. Большинство обрушений угля и вмещающих горных пород происходит на сопряжениях подготовительных и очистных выработок (51 %) при уборке породы, оформлении забоев (15 %), а также работах по креплению и перекреплению (34 %) [4].

Очистные горные выработки представляют наибольшую аварийную опасность для человека и производственно-технологических процессов.

Согласно мировому опыту доля обрушений угля и вмещающих горных пород здесь самая высокая и составляет 52 %. Далее следуют выбросы (20 %), а также взрывы угля, газа и пыли (15 %), подземные пожары (12 %) и прочие причины (1 %) [4].

Наиболее часто обрушения угля и вмещающих горных пород в очистных горных выработках встречаются на их сопряжениях с подготовительными (51 %). Второе место занимает их призабойное пространство (18 %), а третье – раскреплённый массив горных пород, находящийся за механизированной крепью лавы (13 %). За ними следует перекрепление горных выработок (10 %) и места установки временной крепи (8 %) [4].

Статистические данные свидетельствуют о стабильности объёмов производства угля в мире, рост которых главным образом обеспечивается странами BRICS. В 2015 г. их суммарная добыча достигла 5 млрд т. Общий высокий суммарный объём добычи угля в BRICS, а также его постоянный рост, в решающей степени зависит от показателей работы предприятий КНР. Доля BRICS составляет 62 % мирового уровня производства угля (8 млрд т в 2015 г.) [3].

В настоящее время в мировом объёме добычи угля преобладает открытый способ разработки. Начиная с 2012-2014 гг. его доля начинает медленно снижаться. Главными причинами этого являются постепенное сокращение количества качественных запасов, находящихся вблизи земной поверхности, а также необходимость ликвидации широкомасштабных экологических последствий воздействия на окружающую природную среду, что приводит к повышению стоимости конечной продукции горных предприятий [3].

В связи с тем, что аварийность при подземной добыче угля продолжает оставаться на высоком уровне, в ряде случаев превышая уровень добровольного риска работников, в практику горного дела с целью снижения аварийной опасности производства необходимо внедрение ряда мероприятий, отдельные из которых могут заключаться в следующем.

1. Необходимо отдавать предпочтение этажной схеме подготовки шахтных полей, предполагающей проходку и поддержание откаточных штреков на всю длину поля, но при малом общем объёме подготовительных горных выработок. Это приведёт к снижению количества обрушений угля и горных пород, возникающих в следствие сокращения количества сопряжений горных выработок, объёмов работ по уборке породы, оформлению забоев, креплению, перекреплению, а также перевозке людей и грузов.

2. По тем же причинам необходимо отдавать предпочтение увеличению объёмов применения сплошных систем разработки угля при пологом падении пластов, поскольку в этом случае горные работы ведутся практически без подготовительных горных выработок и без деления шахтного поля на блоки, а при крутом падении – поскольку не производится разделения выемочного поля на подэтажи.

3. Необходимо отдавать предпочтение увеличению объёмов применения столбовых систем разработки угля, поскольку они обеспечивают хорошее состояние участковых горных выработок, а также возможность детальной разведки запасов в период подготовки столбов и предотвращения пересечения этими выработками геологических нарушений. Это приведёт к общему хорошему состоянию сопряжений подготовительных и участковых горных выработок, их призабойных пространств, а также раскреплённого пространства лавы за комбайном, снизив возможность обрушений угля и вмещающих горных пород, а также объёмов работ по уборке породы, оформлению забоев, а также креплению и перекреплению.

4. В случае наличия возможности необходимо сократить применение систем разработки угля наклонными слоями с обрушением и с закладкой. В первом случае возрастает аварийность в местах установки и поддержания временной крепи слоевых штреков, а во втором – травматизм, связанный с обрушениями угля и вмещающих горных пород из-за сложной организации, а также низкой эффективности ведения закладочных работ.

5. Необходимо отдавать предпочтение сокращению применения систем разработки угля горизонтальными слоями, приводящих к большому общему количеству подготовительных горных выработок. В этом случае остаётся на высоком уровне аварийность, возникающая в следствие повышения количества случаев обрушений угля и горных пород из-за увеличения числа сопряжений горных выработок, объёмов работ по уборке породы, оформлению забоев, креплению, перекреплению, а также перевозке людей и грузов.

Основными последствиями проявлений горного давления в угольной промышленности считаются собственно горные удары, горно-тектонические удары, горные удары, разрушающие почвы пластов и горных выработок, микроудары, толчки, стреляния, а также внезапные выбросы угля, породы и газа.

Основными горно-геологическими факторами, определяющими уровень травматизма в очистных забоях угольных шахт, являются мощность и угол падения пласта, глубина разработки, а также свойства вмещающих горных пород.

От мощности вынимаемого пласта зависит комфортность размеров рабочего пространства, а от угла падения – опасность травмирования скатывающимися кусками угля и породы. С ростом глубины ведения горных работ увеличивается давление на крепь, приводящее к возрастанию числа аварий техники и травматизму обслуживающего её персонала. Одновременно с этим происходит повышение температуры горных пород, что приводит к нежелательному изменению производственного микроклимата в лавах и отрицательно сказывается на самочувствии горнорабочих очистного забоя.

Основными горнотехническими факторами, влияющими на травматизм в угольных шахтах, являются скорость подвигания лавы, её длина и применяемая система разработки. С увеличением скорости подвигания лавы уменьшается вероятность обрушений пород основной кровли, являющихся основной причиной травматизма в очистных забоях. Рост скорости подвигания лавы приводит к уменьшению процесса сдвижения горных пород вокруг очистного забоя, снижению давления на крепь и расслоению основной кровли. С увеличением длины лавы снижается влияние ниш и её сопряжений с участковыми горными выработками на общий уровень травматизма.

Обрушения и вывалы горных пород кровли при любых технологиях очистной выемки остаются одними из основных травмирующих факторов при подземной разработке угля. Это предъявляет особые требования к применяемой системе разработки, а также способам крепления и управления кровлей. При управлении кровлей с применением частичной закладки уровень травматизма от обрушений и вывалов горных пород с тяжелым и смертельным исходом на 25 % больше чем при управлении кровлей с применением полной закладки выработанного пространства, а по сравнению с управлением кровлей полным обрушением – меньше на 45 % [4].

Особую роль в безопасности работ при подземной разработке угля играют горные удары. Число вызываемых ими производственных аварий очень велико и колеблется в пределах 40-80 % от их общего количества. В этой области существует тенденция постепенного сокращения количества производственных аварий, обусловленных горными ударами. При этом доля травматизма с летальным исходом, возникающего по причине горных ударов, медленно растёт и колеблется в пределах 4-10 % от общего количества случаев [4].

По месту возникновения горные удары, происходящие в угольных шахтах, подразделяются на три группы. К первой относятся классические горные удары, имеющие место в охранных целиках различного назначения. Вторая группа характеризуется воздействием на угольный или породный массив, находящийся на расстоянии от очистного забоя. Первая и вторая группы чаще всего не связаны с ведением горных работ по выемке полезного ископаемого. К третьей группе относятся горные удары, происходящие в действующих очистных забоях и непосредственно связанные с разрушением угля.

Суммарный экономический ущерб, который несут угольные шахты в следствие горных ударов всех трёх типов, находится в пределах 8-16 % от его общей величины и склонен к постепенному увеличению. Наибольший рост экономического ущерба от горных ударов за последние двадцать пять лет приходится на кризисные 2006-2009 гг. Прежде всего это связано с сокращением расходов предприятий на технические и технологические меры по их прогнозу и профилактике, а также увеличением социальных расходов по нетрудоспособности [3].

В соответствии с мировой тенденцией добыча угля будет продолжать наращиваться. Применяемые в настоящее время меры безопасности, включая те, которые относятся к горным ударам, не обеспечивают необходимый уровень аварийности, а также зависящих от неё травматизма и экономического ущерба, возникающих при ведении подземных горных работ в угольных шахтах. Это требует принятия мер, позволяющих поддерживать рост объёмов добычи угля в условиях повышающихся требований к безопасности разработки месторождений полезных ископаемых.

В целях повышения безопасности подземной разработки угля, в значительной степени зависящей от эффективности борьбы с горными ударами, необходимо.

1. Сократить применение сплошной системы разработки, поскольку травматизм с тяжёлым и летальным исходом при ней в среднем в три раза выше, чем при столбовой.

2. Придерживаться сложившейся практики борьбы с вывалами и обрушениями путём применения полного обрушения в породах первого класса, частичной закладки выработанного пространства – второго класса, а полной закладки – в породах третьего и четвёртого классов.

3. Применять технологии горных работ с максимальными площадями перекрытия пород кровли, комплексной механизацией очистной выемки, а также креплением в участковых подготовительных выработках и местах их сопряжений с лавой.

4. Планировать меры борьбы с горными ударами исходя из анализа причин и мест их проявления, отдавая предпочтение технологическим мерам предотвращения возможности их возникновения.

5. Вскрывать опасные и угрожаемые по горным ударам пласты по вмещающим породам или неопасным пластам с проходкой полевых штреков и квершлагов в разгруженных зонах.

6. Вести подготовку шахтного поля так, чтобы обеспечить отработку пластов без оставления охранных целиков.

7. Отрабатывать пласты, опасные по горным ударам, только после предварительного создания разгруженных зон в их призабойных частях и опережающей отработки защитных пластов.


Библиографическая ссылка

Цыганков Д.А. ПРОФИЛАКТИКА АВАРИЙНОСТИ КАК СЛЕДСТВИЯ ГОРНЫХ УДАРОВ В РУДНЫХ И УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ // Международный журнал экспериментального образования. – 2016. – № 3-1. – С. 99-104;
URL: https://expeducation.ru/ru/article/view?id=9665 (дата обращения: 11.08.2022).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074