Горный удар

Горный удар — это внезапное и быстрое разрушение предельно напряжённого участка массива горных пород, прилегающего к горной выработке, происходящее в виде хрупкого разрушения (отрыва, скола, выброса) с выделением упругой энергии деформации. Горные удары относятся к категории динамических форм проявления горного давления и представляют собой одну из наиболее опасных геодинамических явлений, способных приводить к разрушению крепи, обрушению выработок, повреждению оборудования и гибели людей.

История изучения

Первые достоверные сведения о горных ударах относятся к XVIII веку и связаны с разработкой рудных месторождений в Европе. В 1738 году в Англии на оловянном руднике в Корнуолле был зафиксирован случай внезапного разрушения пород, который впоследствии был классифицирован как горный удар. В России одно из первых описаний этого явления относится к 1830-м годам при разработке соляных копей на Урале.

Систематическое изучение горных ударов началось в XX веке, когда с увеличением глубины разработки полезных ископаемых частота и масштабы явлений резко возросли. В 1930-х годах в СССР и Германии были созданы первые научные группы, занимающиеся прогнозом и предотвращением горных ударов. Значительный вклад в теорию внесли советские учёные И. М. Петухов, А. А. Козырев, В. А. Смирнов, которые разработали классификацию удароопасных пород и методы оценки напряжённого состояния массива.

Классификация

По механизму проявления

• Собственно горный удар — хрупкое разрушение пород с выбросом обломков в выработку, сопровождающееся интенсивным звуковым эффектом (хлопок, взрыв) и сейсмическим толчком.
• Микроудар — локальное разрушение породы с образованием трещин и небольшим выбросом обломков, не приводящее к значительным нарушениям выработки.
• Стреляние породы — отскакивание от массива отдельных плит или кусков породы, часто наблюдаемое в выработках с хрупкими породами (например, песчаниками).
• Толчок — сейсмическое событие без видимого разрушения пород, но с выделением энергии, которое может быть предвестником более сильного удара.

По масштабу и последствиям

• Слабые — локальные разрушения крепи и пород на площади до 10 м², без пострадавших.
• Средние — разрушение выработки на участке 10–50 м², возможны повреждения оборудования.
• Сильные — обрушение выработки на площади более 50 м², значительные разрушения, возможны человеческие жертвы.
• Катастрофические — полное разрушение системы выработок, массовые обрушения, гибель людей.

Причины и механизм

Основной причиной горного удара является превышение действующих напряжений в массиве горных пород над пределом прочности этих пород на сжатие или сдвиг. Напряжённое состояние массива формируется под действием:

• Гравитационных сил — веса вышележащих пород (с увеличением глубины горные удары становятся более вероятными).
• Тектонических сил — остаточных или активных напряжений, связанных с движениями земной коры.
• Техногенных факторов — перераспределения напряжений при ведении горных работ, особенно в зонах влияния очистных забоев, целиков, геологических нарушений.

Механизм развития горного удара включает три стадии:

1. Накопление упругой энергии — в результате длительного деформирования пород под нагрузкой.
2. Инициирование — внезапное нарушение равновесия (например, при подрезке целика, взрывных работах, изменении водного режима).
3. Разрушение — лавинообразное распространение трещин, выброс породы, выделение энергии.

Удароопасные породы

Не все горные породы склонны к горным ударам. Наиболее опасными считаются:

• Крепкие хрупкие породы — кварциты, граниты, песчаники, известняки, доломиты с пределом прочности на сжатие более 80–100 МПа.
• Породы с низкой пластичностью — способные накапливать упругую энергию без значительных пластических деформаций.
• Породы с высокой упругостью — например, некоторые сланцы и аргиллиты в условиях высоких напряжений.

Напротив, пластичные породы (глины, каменная соль, калийные соли) обычно не склонны к хрупкому разрушению, хотя в определённых условиях (например, при высоких скоростях деформирования) могут проявлять удароопасность.

Прогноз и оценка удароопасности

Для предотвращения горных ударов применяются методы прогноза, которые делятся на три группы:

Региональные методы

• Сейсмическое районирование — выявление тектонически активных зон.
• Геофизические исследования — сейсмотомография, метод отражённых волн для оценки напряжённого состояния.
• Геомеханическое моделирование — численное моделирование напряжённо-деформированного состояния массива.

Локальные методы

• Бурение скважин малого диаметра — измерение выхода буровой мелочи, скорости бурения, крутящего момента.
• Метод разгрузки — измерение деформаций пород при выбуривании керна.
• Акустическая эмиссия — регистрация микротрещинообразования с помощью датчиков.
• Электрометрические методы — измерение электрического сопротивления пород, которое меняется при изменении напряжений.

Оперативные методы

• Сейсмический мониторинг — непрерывная регистрация сейсмических событий в шахте.
• Визуальный осмотр — выявление признаков удароопасности (стреляние породы, трещины, отслоения).

Меры предотвращения и защиты

Конструктивные меры

• Выбор оптимальной формы выработок — арочные, сводчатые, эллиптические сечения, снижающие концентрацию напряжений.
• Установка крепи — применение анкерной, набрызгбетонной, рамной крепи, способной выдерживать динамические нагрузки.
• Оставление предохранительных целиков — расчёт их размеров с учётом напряжённого состояния.

Технологические меры

• Камуфлетное взрывание — взрывные работы, направленные на разгрузку напряжений в массиве.
• Увлажнение пород — закачка воды в скважины для снижения хрупкости пород.
• Скважинная разгрузка — бурение разгрузочных скважин, снижающих концентрацию напряжений.
• Регулирование порядка ведения горных работ — избегание подрезки целиков, встречных забоев, оставления острых углов.

Организационные меры

• Запрет на ведение работ в зонах с высокой удароопасностью без предварительной разгрузки.
• Обучение персонала — распознавание признаков удароопасности, действия при горном ударе.
• Разработка планов ликвидации аварий — эвакуация, спасение пострадавших.

Примеры крупных горных ударов

• 1958 год, Кольский полуостров, Россия — горный удар на руднике «Кировский» (Апатиты) привёл к обрушению выработки на площади около 200 м², погибло 12 человек.
• 1975 год, Южная Африка — на золотом руднике «Вестерн-Дип-Левлс» (глубина более 3000 м) произошёл катастрофический горный удар, разрушивший несколько километров выработок, погибло более 100 человек.
• 1995 год, Кузбасс, Россия — горный удар на шахте «Ульяновская» (Кемеровская область) привёл к обрушению конвейерного штрека, погибло 8 человек.
• 2007 год, Китай — на угольной шахте в провинции Хэнань горный удар вызвал обрушение выработок, погибло 36 человек.

Горные удары в России

Россия является одной из стран с наиболее высокой опасностью горных ударов, что связано с разработкой месторождений на больших глубинах (до 1500–2000 м) в сложных горно-геологических условиях. Наиболее удароопасными регионами являются:

• Кольский полуостров — апатитовые и железорудные месторождения.
• Урал — медноколчеданные, железорудные и калийные месторождения.
• Кузбасс — угольные месторождения.
• Норильский промышленный район — медно-никелевые месторождения.

В России действует система нормативных документов, регламентирующих ведение горных работ в удароопасных условиях, включая «Инструкцию по безопасному ведению горных работ на месторождениях, склонных к горным ударам» (утверждена Ростехнадзором). Научные исследования в этой области проводятся в Горном институте Кольского научного центра РАН, Институте горного дела Уральского отделения РАН, Московском государственном горном университете.

См. также

• Горное давление
• Сейсмичность горных пород
• Обрушение горных пород
• Выброс угля и газа

Источники

• Петухов И. М., Козырев А. А. Горные удары и методы их прогноза. — М.: Недра, 1985.
• Смирнов В. А. Геомеханика и горные удары. — СПб.: Наука, 2003.
• Инструкция по безопасному ведению горных работ на месторождениях, склонных к горным ударам. — М.: Ростехнадзор, 2010.
• Мельников Н. Н., Козырев А. А. Динамические проявления горного давления в рудных шахтах. — Апатиты: КНЦ РАН, 2008.