Перемены в недрах

Подавляющее большинство разрабатываемых месторождений находится вблизи земной поверхности, не более чем на 300-метровой глубине (в среднем). Именно из этой толщи земной коры человечество долгое время извлекало все необходимое минеральное сырье. Сегодня же потребности в нем резко возросли: понадобилось не только больше сырья - потребовались такие полезные ископаемые, в которых раньше не было нужды. Это заставляет горняков уходить в недра, вовлекать в разработку более глубокие горизонты.

В Советском Союзе сейчас более сотни шахт добывают уголь из пластов, лежащих в 600 метрах от поверхности. А на шахтах Донецкого бассейна первый рабочий горизонт расположен на глубине более 1000 метров. Примерно того же уровня достигли разработки на калийных рудниках в Белоруссии. Рабочие отметки некоторых рудников Кривого Рога - полтора километра. На столько же предстоит опуститься руднику "Таймырскому" Талнахско-Октябрьского месторождения. (Есть проекты подземных разработок, предусматривающие добычу с двухкилометровой глубины.) В среднем же глубина горных работ в СССР достигла 600 метров.

Интенсивное проникновение в недра началось в 50-х годах. Именно тогда горняки впервые почувствовали, что они перестают быть полноправными хозяевами недр, что в некоторых случаях они не в состоянии управлять подземными ситуациями. Прокладывается, скажем, горная выработка. Ставится мощная современная крепь. Через некоторое время мастера и рабочие замечают: крепь кое-где выходит из строя. Заменяют отдельные звенья. Из строя начинают выходить другие. Вывод неутешительный: данная горная выработка не сможет долго существовать - слишком большое давление оказывает на нее подземный мир.

Предположим, прошли выработку в таких стойких породах, что их и крепить не надо. Но вскоре появляются признаки нарушения горных пород, слагающих стены и свод выработки: начинается шелушение, случаются вывалы... А ведь в тех же породах штреки и штольни стоят десятилетиями, только расположены они на более высоких уровнях.

В Кузбассе подготовительные выработки, расположенные до глубины 100 метров, вообще никогда не крепили. Углубились еще на 100 метров - стали крепить. В интервале от 200 до 300 метров пришлось использовать более выносливую крепь.

Вдалеке от поверхности земли мощнее горные удары. Горный удар - это высвобождение упругой энергии, накопленной пластами пород. Долгое время эта энергия сдерживалась в массиве. Но вот его разрезали выработками, и запасенная мощь получила выход. Словно воздушный шар проткнули... Немецкие горняки так и говорят: "Вышел горный дух". По сути дела, горные удары - это микроземлетрясения. На соляных месторождениях ГДР они достигают трех баллов, их регистрируют сейсмостанции на расстоянии 2000 километров. Вывалы при этом достигают нескольких тысяч тонн.

Особенно опасны горные удары в рудных массивах. Руда - крепкий материал, долго противостоит горному духу и, когда он высвобождается, всю энергию передает подземным сооружениям. Уголь более пластичен, он несколько гасит силу удара.

В угольных шахтах мира, преступивших определенную глубину, чаще проявляются внезапные выбросы угля и метана, на калийных разработках - углекислого газа.

Общий вывод: с глубиной недра ведут себя иначе, чем вблизи земной поверхности. В многовековой горной практике произошел перелом; нельзя дальше полагаться только на опыт, необходимо точнее изучить подземный мир на глубинах более 300 метров. Одними из первых это поняли сотрудники Института горного дела Сибирского отделения АН СССР.

Проведенные исследования опрокинули представления, на которых, можно сказать, зижделось горное дело. Выяснилось, что в недрах встречаются два типа состояния массивов горных пород: геостатическое и геодинамическое. Первое вызвано весом налегающих земных слоев, второе создается движениями в земной коре. И бывает так, что геодинамическое напряжение значительно превосходит геостатическое: на 50-200 кг/см², а иногда и на 500 кг/см². Это резко меняет обычное положение: горняки всегда всерьез относились только к тяжести вышележащих слоев, их главным образом принимали в расчет. И вдруг оказалось, что боковые усилия могут быть мощнее...

И чем глубже, тем сильнее это проявляется. Верхние слои земной коры пластичнее: они содержат жидкость в порах, трещины, угольные прослои. Все это снижает, а то и полностью компенсирует горизонтальные усилия. С глубиной пластичность горных пород падает - они не освобождают массив от сжимающих сил, а накапливают их. Как только в нем появляются горные выработки, равновесие нарушается - горный массив приходит в движение.

Член-корреспондент АН СССР П. П. Кропоткин проанализировал мировые данные о состоянии верхних земных слоев. Он пришел к выводу, что геодинамические напряжения на глубине больше 200 метров охватывают всю земную кору. Они могут возникать в силу местных причин. Например, замечено, что угольные месторождения, где стенки выработок часто "стреляют" горными породами, где нередки горные удары и выбросы, находятся в районах активной земной коры. Геодинамические напряжения зависят и от глобальных причин: выявляется определенная зависимость горных ударов от вращения Земли.

Так, перед горняками всего мира встал вопрос о диагностике разрабатываемого горного массива. Первый этан: определение состояния еще нетронутого массива. Проектировщики получают в свое распоряжение данные о главных напряжениях, свойствах горных пород, о трещиноватых зонах и разломах интересующего их участка. Это в своем роде его рентгеновский снимок, по которому можно разработать наилучшую схему проведения подземной операции. Если главные усилия направлены, к примеру, с севера на юг, то в этом же направлении надо располагать горные выработки. Тогда подземное давление будет как бы скользить по выработке и окажет на нее минимальное влияние. Если же расположить выработки перпендикулярно линии север-юг, то под прицел попадут целиком северные стены - подземные силы будут приложены к большой площади. Противостоять им трудно, часто просто невозможно и всегда очень дорого.

Рентгеновский снимок недр показал, что массив рассекает зона трещиноватости. Для проектировщиков это очередное указание: нельзя проводить горные выработки так, чтобы вдоль этой зоны или параллельно ей возникали какие-либо напряжения. В противном случае часть массива может "поехать" по трещинам, поскольку из-за них сцепление с основной массой ослаблено. Перемещение произойдет на небольшие расстояния, по этого окажется достаточно, чтобы сплющить капитальную выработку, например ствол шахты - главную артерию подземного городка.

Следующий этап: диагностика массива в процессе разработки месторождения. Нужно непрерывно следить за всеми изменениями, которые происходят в толще пород, по мере того как в ее теле появляются стволы, тоннели, штольни и т. п. В подземный мир вторгся человек - глубины соответствующим образом реагируют на это, они день ото дня меняются. Диагностика должна предвидеть эти изменения и заранее предупреждать об их последствиях.

На рудниках и шахтах должна появиться новая служба - геомеханическая, которой предстоит осуществлять диагностику недр. Институт горного дела Сибирского отделения АН СССР готов вооружить ее целым рядом новых приборов для слежения за горными массивами.

Деформометр - прибор пассивного наблюдения. Он опускается в скважину, которую пробуривают в нужном участке месторождения. Горные породы приходят в движение: стенки скважины сжимаются или раздвигаются. В тесном контакте с ними находится деформометр, фиксирующий напряжения.

Дилотометр позволяет узнавать о состоянии массива до того, как он придет в движение. Этот прибор также опускается в скважину и начинает давить на ее стенки резиновой оболочкой, в которую закачивают жидкость. Под миниатюрным прессом горные породы выдают свои характеристики: модуль упругости, модуль деформации, предел прочности на сжатие и т. д. Специалисты получают эти сведения в натурных условиях, и оказывается, что они несравненно более точные, чем лабораторные. Ту же самую породу, но уже в виде образца испытывают позже лаборатории и ее характеристики в несколько раз, иногда в десять (!), отличаются от натурных.

Исследования приборами помогают получить сведения об отдельных участках разрабатываемого месторождения. Сейсмическое просвечивание дает общий рентгеновский снимок. Сконструирован пневмомолоток. Его удар по стене или потолку выработки возбуждает упругие колебания в массиве. Их регистрируют сейсмодатчики. Картина волнового поля - в то же время и картина распределения напряжений в массиве, так сказать, топографическая сеть подземных сил. А геодезическими знаками служат показания деформометров и дилотометров.

Совершенное диагностическое средство - звукометрия. Бывалый горняк всегда держит "ушки на макушке". Прислушался: слегка потрескивает свод выработки. Возможен обвал? Постучал по стене: "бунит" или "не бунит"? Если "бунит", то в данном месте скрыт закол или трещина - причины внезапных вывалов. Звукометрические приборы позволяют прослушивать подземное пространство более внимательно, улавливать любые шорохи в нем.

Вот как организовано прослушивание на одном чехословацком руднике. В большой и светлой камере на столах стоят звукозаписывающие устройства. Они регистрируют показания акустических датчиков, расставленных по выработке через 30 метров. Перед работой мастер заходит в звукозаписывающий зал и смотрит показания. По простенькой формуле он проводит расчет и говорит, куда идти бригаде. В том забое, где тихо, можно работать. Забой, в котором "шумно", должен отдохнуть. Один из мастеров нам так и сказал: "Отдохнуть" - иллюстрация к тому, как изменились взаимоотношения человека и подземелья.

Слежение за ходом горных работ естественно поручить электронно-вычислительным машинам. Это можно сделать уже сейчас, а в будущем тем более. Все данные о состоянии массива поступят в память ЭВМ. Она сможет непрерывно обрабатывать их и каждую минуту (если понадобится) сообщать о положении дел. Появились признаки угрожающего состояния - последует сигнал. Дальнейшую стратегию работ, позволяющую с наименьшими затратами миновать опасность, также подскажет ЭВМ.

Но возможны ситуации, когда выработка должна прейти по опасной зоне, под сильным нажимом. Что может предложить геомеханическая служба в таком случае?

Сегодня известен целый ряд защитных мероприятий. Можно блокировать выработку со стороны высоких давлений. Для этого бурят скважины, в них производят взрывы - создают свободное пространство, своего рода воздушную подушку, которая и прикроет выработку в момент сильного нажима. На рудниках Норильска такие щели создают сбоку - это преграда от бокового давления и сверху - защита от вертикальных сил. Под подобным прикрытием можно работать спокойно.

Защитную щель создают и камуфлетными взрывами. Из кровли выработки проходят горизонтальную скважину и в ней взрывают. Скважину заполняет дробленая порода. Над выработкой появляется подушка, которая гасит опасные напряжения.

В камерах оставляют податливые целики - столбы из горных пород или руды, поддерживающие свод камеры. Под давлением они потихоньку "приседают" и таким образом усмиряют его. Сейчас с помощью сейсмических исследований удается рассчитывать анкерную крепь: металлические штанги, которые прошивают кровлю горных выработок, словно скрепки. Один их конец сцеплен с кровлей, а другой укреплен в массиве, в нескольких метрах выше кровли. Какой должна быть длина штанг? Сейсмические исследования позволяют просветить свод выработки и определить, на каком расстоянии от него находятся прочные породы. Там следует укреплять конец штанги.

...До недавнего времени человек осваивал недра буквально на ощупь. Горняк под землей полагался только на собственный опыт и на опыт тех, кто спускался сюда до него. Считалось, что там, где прошел горняк, могут, не беспокоясь, пройти мастер, инженер, ученый. Опыт рабочего служил им гарантией безопасности.

В наши дни ситуация меняется. На глубокие горизонты первыми часто идут ученые. Следом за ними уверенно направляются в новые забои рабочие бригады. Горная наука гарантирует им спокойную работу.

Не так давно инженер-горняк обходился небольшим набором формул для расчета подземных сооружений. Сегодня он привлекает для тех же целей теорию упругости, теорию пластичности, механику сплошных и дискретных сред. Это помогает ему уверенно осваивать глубокие горизонты, работать на пределе допустимых воздействий на недра.