МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Приходько Сергій Юрійович

УДК 622.268 :622.833.5

ОБГРУНТУВАННЯ МЕТОДУ ПРОГНОЗУВАННЯ

ВИКИДОНЕБЕЗПЕКИ ВУГІЛЬНИХ ПЛАСТІВ ПРИ ЇХ РОЗРОБЦІ З УРАХУВАННЯМ ВПЛИВУ КОСМОГОНІЧНИХ ФАКТОРІВ

Cпеціальність 05.15.11- Фізичні процеси гірничого виробництва

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі технології гірничого виробництва гірничого фа-

культету Української інженерно-педагогічної академії Міністерства освіти і науки України (м. Харків).

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Колоколов

Олег Васильович, професор кафедри підземної

розробки родовищ Національного гірничого уні-

верситету Міністерства освіти і науки України

(м. Дніпропетровськ) .

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Софійський

Констянтин Констянтинович, завідувач відділу

проблем технологій підземної розробки вугіль-

них родовищ Інституту геотехнічної механіки

Національної Академії наук України ( м.Дніпро-

петровськ) ;

кандидат технічних наук Тіркель Михайло

Годельєвич, заступник директора з наукової

частини Українського державного науково-дос-

лідного та проектно - конструкторського інсти-

туту гірничої геології, геомеханіки та маркшей -

дерської справи Міністерства палива та енер-

гетики України ( м.Донецьк).

Провідна установа : Донбаський гірничо-металургійний інститут Мі-

ністерства освіти і науки України, кафедра розро-

бки родовищ корисних копалин (м. Алчевськ) .

Захист відбудеться “ 28 ” жовтня______2002 р. о 14 годині на засі-

данні спеціалізованної вченої ради Д08.080.03 із захисту дисертацій при На-

ціональному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України

(49027, Україна, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса 19,тел.(0562) 47-24-11).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного гір-

ничого університета Міністерства освіти і науки України (49027, Україна,

м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19).

Автореферат розісланий 28.10.2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор С. Ф. Власов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Вугільна промисловість України є основною базою забезпечення паливом підприємств енергетики і сировиною – підприємств чорної металургії та хімічної промисловості. Техніко-економічні показники її роботи обумовлюють показники роботи багатьох галузей народного госпо-дарства. В зв’язку з цим, особлива роль належить Донбасу, який є основним постачальником палива і коксівного вугілля для коксохімії та металургійної промисловості країни.

Перехід гірничих робіт на більш глибині горизонти нерозривно пов’язаний з вирішенням проблеми розроботки пластів небезпечних та загрозливих по раптовим викидам вугілля і газу.

Напружений стан гірничого масиву і зональна викидонебезпека виз-начаються без врахунку впливу космогонічних факторів, які суттєво поз-начаються на багатьох процесах, які відбуваються на нашій планеті. В наслідок, методи прогнозування, які використовуються, не завжди забезпечують повної достовірності і надійності. Аналіз стану питання свідчить про необхідність вдо-сконалення існуючих методів прогнозу. Одним з напрямків такого вдоско-налення є прогноз несприятливих часових інтервалів на основі використання закономірностей взаємозв'язку прояву раптових викидів з варіаціями пара-метрів космогонічних факторів. Підвищення надійності прогнозування викидо-небезпеки є однією з важливіших і актуальних задач для вугледобувної галузі, якій і присвячується надана дисертаційна робота.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисерта-ції і дослідження відповідає плпнам НДР і ОКР Міністерства палива і енерге-тики, НДР №2174 “Нові технологічні заходи і засоби профілактики вибухів на шахтах і боротьби з ендогенними пожежами на основі використання солоних поверхневих і підземних вод і других природних та штучних ма-теріалів” ( регістраційний номер 02.9.10.022223), а також державній програмі "Українське вугілля ".

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є підвищення надійності і достовірності існуючих методів прогнозу викидонебезпеки вугільних пластів шляхом прогнозування часових інтервалів з несприятливими змінами космого-нічних факторів відносно прояву раптових викидів.

Для досягнення цієї мети в роботі поставлено і вирішено наступні задачі:

1. Провести аналітичний огляд літературних джерел по даному питанню.

2. Провести оцінку впливу космогонічних факторів на прояв раптових викидів вугілля і газу на шахтах Донбасу.

3. Встановити закономірності прояву раптових викидів вугілля і газу в зонах впливу геологічних порушень.

4. Розробити методику побудови прогнозу часових інтервалів з несприятливими змінами космогонічних факторів відносно прояву раптових викидів в шахтах.

5. Перевірити отримані закономірності прояву раптових викидів в промислових умовах.

Об’єкт дослідження – припливні явища в земній корі, як наслідок дії космогонічних факторів.

Предмет дослідження – методи прогнозування викидонебезпеки вугільних пластів з урахуванням впливу космогонічних факторів.

Ідея роботи полягає у використанні закономірностей впливу космогонічних факторів на прояв раптових викидів вугілля і газу для прогнозування викидонебезпеки вугільних пластів.

Методи досліджень: для вирішення поставлених задач прийнято комплексний метод досліджень, включаючий аналіз і узагальнення сучасних досліджень закономірностей прояву раптових викидів в часових інтервалах з несприятливими змінами космогонічних факторів; застосування аналітичних методів механіки твердого деформуємого тіла і щільністної моделі земної кори; методів багатофакторного кореляційного аналізу; шахтних досліджень прояву раптових викидів вугілля і газу.

Наукові положення, що виносяться на захист:

1. Серед досліджуємих космогонічних факторів (сонячна активність, сила тяжіння,кутова швидкість обертання Землі, рух полюсів Землі) найбільший вплив на прояв раптових викидів вугілля і газу мають сонячна активність – числа Вольфа, які визначають кількість сонячних плям (К= 0,71) і сила тяжіння (К= 0,69).

2. Викидонебезпека вугільних пластів тісно взаємопов'язана з припливним розтягненням і зтискуванням гірничого масиву. Зтиснення гірничого масиву призводить до збільшення гірничого тиску в середньому на 8000 Па, а розтягнення- до його зменшення в середньому на 4000 Па. Ці зміни в гірничому масиві можуть спровокувати раптові викиди вугілля і газу.

3. В зонах з геологічними порушеннями виникають аномалії сили тяжіння, які призводять до зміщення в часі проявів раптових викидів вугілля і газу. По залежності, яка враховує відстань ( R ) до геологічного порушення, коефіцієнт зміщення в часі прояву раптового викиду а1 і коефицієнт згасання а2 і має виг-ляд :

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому,що :

1. Розроблено новий метод прогнозу викидонебезпеки вугільних пластів, який враховує вплив космогонічних факторів на газодинамічсний стан гірни-чого масиву.

2. Встановлено тісний взаємозв’язок між раптовими викидами вугілля і га-зу та земними припливами, які обумовлені впливом космогонічних факторів.

3. Розроблена і обумовлена нова математична модель гірничого масиву,

яка враховує вплив космогонічних факторів.

4. Встановлено нові закономірності, які представлені у вигляді емпіріко-аналітичних рівнянь, визначаючих вплив геологічних порушень на часовий характер розподілу викидонебезпечних зон.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій.

Обґрунтованість результатів роботи обумовлена коректною постановкою і вирішенням задач з використанням фундаментальних положень механіки твердого деформованого тіла, фізики Землі, теорії земних припливів і методів математичної статистики.

Достовірність результатів забезпечується використанням апробованих методів прогнозу варіацій сили тяжіння, експериментальними шахтними дослідженнями щодо установлення раціональних критеріїв несприятливих змін сили тяжіння відносно прояву раптових викидів вугілля і газу, позитивними результатами перевірки розробленого методу прогнозу на шахтах Донбасу.

Наукове значення роботи полягає у встановлені закономірностей впливу космогонічних факторів на прояв раптових викидів вугілля і газу ; у розробці методики прогнозу викидонебезпеки вугільних пластів з урахуванням часових інтервалів з несприятливими змінами космогонічних факторів відносно прояву ратових викидів вугілля і газу.

Практичне значення роботи полягає у розробці рекомендацій по використанню метода прогнозу викидонебезпеки вугільних пластів, який дозволяє підвищити безпеку і єфективність гірничих робіт, що проводяться на викидонебезпечних вугільних пластах (затверджено Центральной комісієй по боротьбі з газодинамічними явищами в шахтах вугільної промисловості України 08.06.2000 р.)

Реалізація роботи в промисловості. З 1998 року на шахті “Глибока “ шахтоуправління “Донбас “ ДП ДХК “Донецьквугілля “ упроваджується прогноз часових інтервалів з несприятливими змінами сили тяжіння відносно прояву раптових викидів вугілля і газу.

Особистий внесок автора полягає у формулюванні наукової цілі і задач досліджень; у розробці методики і проведенню аналізу раптових викидів ву-гілля і газу з урахуванням космогонічних факторів; у виявленні найбільш впли-вових з них і кількістній оцінці зв’язку між проявом раптових викидів і при-пливними силами; в розробці методики прогнозування викидонебезпеки у виз-начених часових інтервалах; побудова на її основі науково - практичних реко-мендацій, достовірність яких підтверджена експериментальной перевіркой в виробничих умовах.

Апробація результатів досліджень. Основні результати досліджень доповідались і получили схвалення на Міжнародному науковому конгресі “Фундаментальні проблеми природознавства” (м. Санкт–Петербург, 1998 р.), на науковому семінарі відділу фізики земної кори і внутришньої будови Землі (Полтавська гравіметрична обсерваторія, 1999 р.), розширеному засіданні кафедри геофізичних досліджень Національної гірничої академії України, на науково–методичному семінарі гірничого факультету Української інженерно–педагогічної академії (м. Стаханов, 1999 р.), на Міжнародному науковому семінарі “Екологічні проблеми енергетики і ресурсокористування“ (м. Луганськ, 2000 р.), на науково–технічній раді відділу газодинамічних явищ МакНДІ м. Макіївка, 2000 р.), на Центральній комісії по боротьбі з газодина-мічними явищами в шахтах вугільної промисловості України ( м. Донецьк, 2000р.), на наукових семінарах кафедри підземної розробки родовищ НГАУ ( м. Дніпропетровськ, 2001р.) .

Публікації : за темою дисертації здобувачем опубліковано 4 друкованих робіт, у т. ч. статей в спеціалізованих, затверджених ВАК України журналах 3, у матеріалах конференцій - 1.

Обсяг і структура дисетртації. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, висновків, переліку використаних джерел із 102 найменувань на 10 сторінках; містить 109 сторінок машинописного тексту, 28 рисунків, 33 таблиці і додатків на 21 сторінці; загальний обсяг роботи – 143 сторінки

Автор висловлює глибоку вдячність науковому керівнику, докт. техн. наук, проф. Колоколову О. В., член-кореспонденту НАН України, докт. г.- м. н., проф. Тяпкіну К. Ф., докт. г.- м. н., проф. Валуконісу Г. Ю., к. г.- м. н. Стовас Г.М. за консультації і постійну увагу до роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані цілі і задачі дослідження, наведені наукові положення, що виносяться на захист, а також дані щодо апробації і публікації досліджень.

У першому розділі роботи зроблено огляд літератури за темою і вибір напрямків досліджень. Аналіз стану питання свідчить про необхідність пошуку нових підходів до розробки методів прогнозу несприятливих ситуацій, сприяючих розв’язуванню газодинамічних явищ в гірничому масиві. Сучасно застосовувані методи прогнозування викидонебезпеки вугільних пластів засновані на урахуванні напруженного стану гірничого масиву, утримання в ньому метану, його тиску і швидкості газовіддачі. На основі урахування цих параметрів застосовуються потім регіональні і локальні засоби запобігання викидонебезпеки шляхом зниження напружень, тиску і вміщення метану в вугільному пласті, змінень пружно-пластичних властивостей вугілля в розробляємому пласті. Разом з тим, напруженний стан масиву гірничих порід і зональна викидонебезпека визначаються без урахування впливу космогонічних факторів, які, як відомо, суттєво виявляються на багатьох фізичних, біологічних і інших процесах, що відбуваються на нашій планеті. Як наслідок, застосовувані методи прогнозування викидонебезпеки вугільних пластів не завжди запеспечують цілковиту достовірність, виявляються недостатньо надійними.

Досвід відпрацювання вугільних пластів показує, що в час раптового викиду вугілля і газу виникає небезпека самозаймання вугілля, яким заповнена порожнина викиду. Існує небезпека замозаймання вугілля в стінах порожнечі, якщо вони не оброблені антипірогенами. Запобігання раптових викидів крім того, що забезпечує безаварійну роботу на шахті, також ліквідує небезпеку виникнення пожежи на шахті.

Автор дисертації зіткнувся з необхідністю використовувати при дослідженні дані різних розділів механіки гірничих порід, фізичних процесів гірничого виробництва, геофізики і космогонічних наук. Кожна з цих наук має свої власні методи досліджень, відмінних один від одного. В світі вислов-леного, робота може розглядатися як одна із спроб синтезу указаних наук для ефективного рішення задачі прогнозування раптових викидів вугілля і газу при розробці вугільних родовищ. Дослідження взаємозв’язку припливно-твірних сил з газодинамічним станом гірничого масиву і, відповідно, виявленням раптових викидів вугілля і газу є визначальним напрямком в наданій роботі.

У другому розділі розглянуто побудову і обґрунтування геодинамічної моделі гірничого масиву на основі аналізу впливу космогонічних факторів і, як їх похідної, земних припливів на фізичні процеси в гірничому масиві.

Результати взаємозв’язку Землі з зовнішніми фізичними факторами (вплив Сонця і Місяця) можуть виявлятися по різному, зокрема, зміною кутової швидкості обертання Землі, зміною положення вісі обертання Землі, зміною сили тяжіння. Висновки обгрунтовані на даних астрономії, фізики, геології та інших наук про Землю називають планетной космогонієй, а фактори, які при цьому розглядаються, космогонічними факторами. Значний внесок в дослід-ження даного питання внесли Л.С. Лейбензон, Г.Н. Катерфельд , В.А. Царег-радський, Дж. Дарвін , П. Мельхіор, М.В. Стовас, О.Я. Орлов, В.Н. Пузирьов, О.Н. Чернов, К.Ф. Тяпкін.

О.Л. Чіжевський- один з перших вчених, почавший вивчення зв’язку між сонячною активністю і земними процесами. Він довів, що цей взаємозв’язок не випадковий.

Дослідження вчених показали, що при змінюванні кутової швидкості обертання Землі і при змінюванні положення вісі обертання виникають напруження у верхній оболонці Землі. В напрямку переміщення полюсу Землі виникають зони стиснення, в протилежному напрямку – зони розтягнення. Збільшення напружень при цьому буде діятися до тих пір, доки вони не досяг-нуть критичних значень. Розрядка напружень виникає при певних критичних значеннях кута ухилення від вісі обертання Землі. Досягнення межі пружністі, виникаюче в земній корі, залежить не тільки від кутової відстані переміщення полюсу (вісі обертання), але й від швидкості його переміщення.

Зміни фігури Землі в цілому, такі як земні припливи, є функцією радіального розподілу щільністі і параметрів пружністі. Причина особливої важливості земних припливів міститься в тому, що це практично єдине явище деформації Землі для якого ми знаємо сили визиваючі деформацію і можемо точно їх розрахувати. Застосування результатів досліджень вчених Полтавської гравіметричної обсерваторії дає нам змогу розраховувати діючі сили, а також їх зміни в часу.

Гармонічне розкладання припливного потенціалу на окремі складові грає основну роль при аналізі і розрахунку земних припливів. Періоди окремих складових припливу (дуже чисельних, якщо навіть брати основні хвилі) можуть співпадати з періодом вільних коливань окремих вугільних пластів або гірничих масивів. Це безсумнівно повинно відбитися на розподілі напружень в гірничому масиві. При резонансі діється нарощування амплітуди коливань і це призводить до резонансних руйнувань гірничого масиву. Резонансний прояв земних припливів мало вивчено і потребує подальшого теоретичного і експериментального дослідження.

Закономірність припливного збурення розглянуто в роботі Мельхиора , де показано, що деформація земної кулі супроводжується напруженнями і об’ємними розширеннями (стисненнями ), тобто у вигляді зменьшень і збільшень радіальних припливних зміщень. Існує взаємозв’язок між припливним потенціалом, варіаціями сили тяжіння і радіальними зміщеннями.

Одиниця вимірювання прискорення сили тяжіння g = 982,04 Гал., а також використовуються меньші одиниці : 1 міліГал (мГал ) =10-6 g ; 1 мікроГал (мкГал ) = 10-9 g .

В наслідок місячно-сонячного притягнення, максимальне змінення потен-ціалу сили тяжіння становить 240,25 мкГал, або 0,24 мГал. Сумарний місячно-сонячний вплив дає для земного геоїда максимальне радіальне коливання 0,78 метра.

Аналіз результатів спостережень показав, що ефективна деформація зем-ної поверхні дорівнює 65% від статичного припливу, тобто максимальна амплі-туда припливу дорівнює 0,51 м. (дослідження вчених НГУ на Єнакієвському і Криворіжському полігонах).

Автором получені залежності зміни гірничого тиску під дією припливних сил. Розрахунки показали, що стиснення гірничого масиву під дією припливних сил призводить до збільшення гірничого тиску в середньому на 8 КПа, а роз-тягнення – до його зменшення на 4 КПа.

Дія припливних сил, які мають періодичний характер, постійно змінює напрямок дисбалансу тензорів напружень між локальними зонами в гірничому масиві. Можливість предрозрахунку припливних сил дає можливість розра-ховувати напрямок дії дисбалансу тензорів напружень в гірничому масиві.

При наявності геологічних порушень в гірничому масиві виникають спотворення припливної деформації, які виявляються зміщеннями у часі очікуємих амплітуд деформацій земної кори. Ці зміщення мають періодичний характер. За час експерементальних досліджень прояву раптових викидів у вугільних пластах h4 і h10 поблизу Первомайського і Італійського розломів, ав-тором було підтверджено цю наукову гіпотезу. Реалізація раптових викидів відбувалася з затримкою або випередженням у часі відносно прогнозного часу реалізації. Залежність зміщення часу прояву раптових викидів від відстані до геологічного порушення має вигляд:

де R- відстань до геологічного порушення, а1- коефіцієнт зміщення часу, а2- коефіцієнт згасання..

Залежність зміщень часу прояву раптових викидів від відстані до геологічного порушення для визначеного вугільного пласта має вигляд:

де R > 0 для східного борту геологічного порушення ;

R < 0 для західного борту геологичного порушення.

Стосовно до викидонебезпечних зон, обумовлених впливом Первомайського і Італьянського надвигів на шахті “Глибока “ получені значення коефіцієнтів : а1 = 2,12; а2 = 2,48.

Вплив космогонічних факторів на викидонебезпеку вугільних пластів поблизу геологічних порушень характерізується такими закономірностями:

- в викидонебезпечних зонах, які сформувалися в масиві гірничих порід в

наслідок сполучення певних геологічних, фізико – механічних і гірничотехнічних факторів, під впливом припливних сил можуть створюватися як небезпечні, так і безпечні ситуації;

- критичний стан вугільного пласта може зміщуватися відносно прогнозного несприятливого часового інтервала на величину tзміщення ;

- переміщення припливних сил по вугільному масиві в бік геологічного порушення супроводжується опередженням реалізації критичного стану викидонебезпечного пласта;

- переміщення припливних сил від геологічного порушення в бік вугільного масиву супроводжується затримкой реалізації критичного стану викидонебезпечного пласта.

Розглянуті закономірності прояву земних припливів дозволяють побудувати геодінамічну модель гірничого масиву, яка б враховувала дію припливних явищ на напружений стан гірничого масиву, а також вплив геологічних порушень. Під геодінамічною моделью гірничого масиву будемо розуміти сукупність поверховостей, обмежуючих області розподілу порід з певними щільністними характеристиками, апроксиміруючих гірничий масив і відповідних діючому потенціалу сили тяжіння на поверхні гірничого масиву. Основними характеристиками геодінамічної моделі є закон розподілу щільністі в гірничому масиві і аномалії сили тяжіння в зонах з геологічними порушеннями. При побудові щільністної моделі гірничого масиву ураховувався вплив щільністних меж, виникаючих поблизу геологічних розломів. К.Ф.Тяпкін в своїх дослідженнях показав, що області земної кори з значними аномаліями гравітаційного поля мають підвищені значення щільністі. Збільшення значень сили тяжіння ?g на 10 мГал відповідає зростанню середньої щільністі порід на 5 10-5 кГ/м3. Геодінамічна модель гірничого масиву показана на рис.1.

W

Рис.1. Геодинамічна модель гірничого масиву :

ОО' - рівень земної поверхні без врахування впливу припливних сил;

АB - нижня границя розглядаємого блока гірничого масиву;

О'B - межа геологічного порушення в гірничому масииві;

H - розмір блоку гірничого масиву, зазнаючого вплив припливних

сил;

?Hр , Hс - зміни разміру блока гірничого масиву під дією припливних сил;

W - припливний потенціал.

В наслідок переміщення поверхні гірничого масиву на ?H в межах всього геологічного розлому виникає щільністний кордон зі значенням контраста щільністі ?с’1 = ДH gradz с1(z), де ?1(z)-закон зміни щільністі в гірничому масиві ; gradzс1(z)-?ектор, маючий напрям в бік найбільшого зростання величіни ?1(z) і чисельно дорівнюючий швидкісті її зміни в цьому напрямку. В нижній частині розглядаємого блока гірничого масиву також виникає щільністний кордон з контрастом щільністі ?с’’1 : Дс’’1 = Дс2(z) - Дс1(z). В зонах геологічних розломів пониження щільністі порід досягає 10-4 кГ/см3 і вище. Контраст щільністі на бокових щільністних межах також накладується на загальний напружений стан гірничого масиву. Прикладом такої зони є Перво-майський розлом.

Щільність в гірничому масиві периодічно змінюється під дією припливного потенціалу W. Зміни щільністі гірничих порід змінюють газодинамічний стан гірничого масиву, що призводить до підвищення викидонебезпеки.

Розглянуту геодинамічну модель гірничого масиву автор використовував для розроблення методу прогнозу часових інтервалів з несприятливими зміна-ми космогонічних факторів.

В третьому розділі викладено розрахунково-експериментальну частину і методику досліджень. Для аналізу варіацій параметрів зовнішніх факторів, частоти прояву раптових викидів вугілля і газу, а також для кількістної оцінки взаємозв’язку між космогонічними факторами і проявом раптових викидів використовувались критерії, визначаючі несприятливі зміни розглядаємих параметрів: швидкість приросту параметрів і зміна знаку приросту параметрів. Ефективні відносно прояву раптових викидів вугілля і газу різкі зміни роз-глядаємих космогонічних факторів, а також зміни знаку їх прирощень носять назву реперів. Вони використовуються у зіставленнях з цілью виявлення впли-ву різких змінень космогонічних факторів на хід фізичних процесів в гірничому масиві.

Основною задачей розрахункової частини в дисертації є фіксація, підра-хунок, узагальнення і статистичні оцінки значущості і тісноти зв’язків, поло-ження яких твердо зафіксовано лінійкой реперів космогонічних факторів і припущеними результатами- переломами багаторічного (багатомісячного) ходу газодинамічних процесів в гірничому масиві. Така методика використовується при побудові реперних лінієк для розглядаємих в дисертації факторів (сили тя-жіння, кутової швидкості обертання Землі, радіусу полозії руху полюсу Зем-лі), а також для частоти раптових викидів вугілля і газу в шахтах.

При побудові графіків характеристик змінень розглядаемих в дисертації космогонічних факторів, а також частоти раптових викидів вугілля і газу, виконується наступна послідовність:

-будуються графіки середньомісячних (середньорічних) змінень 2-х факторів;

-один з розглядаємих факторів приймається обумовлюючим переломи другого фактора і для нього будується реперна лінійка; -для другого розглядаємого фактора будується умовна лінійка переломів.

При розрахунку сполуки якісних ознак (базове 4-х кліточне групування ознак) ураховуються наступні дані: кількість переломів 2-го фактора спів-павших з реперами 1-го фактора; кількість переломів 2-го фактора не спів-павших з реперами 1-го фактора; кількість інших (непереломних) часових інтервалів 2-го фактора співпавших з реперами 1-го фактора; кількість інших (непереломних) часових інтервалів 2-го фактора проявлених в нереперні часові інтервали 1-го фактора; загальна кількість місяців (років) приймавших участь в розрахунках.

Оцінка спільного впливу космогонічних факторів показала,що найбільший вплив на частоту прояву раптових викидів вугілля і газу справляють зміни сонячної активності і сили тяжіння ( rс = 0,71 і rм = 0,69 ) . Зміни кутової швидкості Землі і радіусу руху полюсів Землі дають незначні доповнення. Фактор сонячної активності має найвищу оцінку тісноти зв’язку, але має значно великий часовий інтервал прогнозування (1 доба ) відносно часового прогонозованого інтервалу для сили тяжіння (1 година). Виходячи з цього, фактор сонячної активності використовується лише для попереднього прог-нозу, тобто спочатку прогнозом визначається несприятливий день відносно прояву раптових викидів вугілля і газу, а потім визначаються несприятливі ча-сові інтервали протягом доби по даним сили тяжіння.

В четвертому розділі розглядається методика розрахунку несприятливих часових інтервалів з несприятливими змінами сонячної активності і сили тяжіння.

В наслідку порівняльного аналізу часових інтервалів, в яких зчинилися раптові викиди вугілля і газу на шахтопластах усього Донбасу (1951-1996 р.р.), шахтоуправління “Донбас” ДКХ “Донвугілля” і шахти “Глибока” цього шахтоуправління (1983-1998р.р.) з прогнозними несприятливими часовими інтервалами, були получені дані, які приведені в табл.1.

Таблиця 1

Збіг реалізації раптових викидів вугілля і газу з несприятливими часовими

інтервалами

Розташування

шахтопластів | Збіг реалізації раптових викидів з прогнозними часовими

інтервалами

з несприятливими

змінами сили

тяжіння,% | з несприятливими змінами сонячної активністі,% | з несприятливими змінами сили

тяжіння і сонячної активністі,%

+ | ±1 | ±2 | - | + | +1 | - | ++ | + - | - + | - -

Увесь Донбас | 63 | 19 | 6 | 12 | 66 | 13 | 21 | 69 | 19 | 10 | 2

88 | 79 | 98

100 | 100 | 100

Шахтоуправ-

ління “Донбас” | 67 | 17 | 7 | 9 | 71 | 8 | 21 | 71 | 22 | 5 | 2

91 | 79 | 98

100 | 100 | 100

Шахта

“Глибока” | 62 | 19 | 6 | 13 | 65 | 24 | 11 | 65 | 27 | 4 | 4

87 | 89 | 96

100 | 100 | 100

де “+” – збіг;

“ – “ – розбіжність;

Затримка проявлень раптових викидів вугілля і газу відносно часових інтервалів з несприятливими змінами сонячної активності обумовлена після-дією впливу сонячної активності на газове становище в гірничому масиві. Зміщення проявлень раптових викидів вугілля і газу на + 2 години відносно часових інтервалів з несприятливими змінами сили тяжіння обумовлюється наявністю поблизу розробляємих шахтопластів геологічних порушень.

За період з 01.01.1999 р. по 01.09.2000 р. збіг часових інтервалів, в яких зчинилися раптові викиди вугілля і газу на шахті “Глибока” p., з прогнозними несприятливими часовими інтервалами склав близько 100%.

Методика побудови прогнозу часових інтервалів з несприятливими змінами космогонічних факторів полягає в наступному :

1. Визначаються дані по добовим варіаціям сили тяжіння для певної дільниці гірничого масиву.

2. Аналізується наявність геологічних порушень і їхнє розташування відносно розглядаємої дільниці.

3. По критеріям (швидкість зміни збільшень сили тяжіння і зміна знаку збільшень) визначаються несприятливі часові інтервали з врахуванням аномалій потенціалу сили тяжіння, що викликаються геологічними порушеннями, і відповідного зміщення в часу можливого раптового викиду. Алгоритм для розрахунку прогнозу на ЕОМ наступний:

1. Визначаються несприятливі часові інтервали в течії доби:

а) по критерію швидкості прирощень:

…..24.

б) по критерію зміни знаку прирощень: ….23;

….24.

2. При проведенні гірничих робіт в зоні впливу геологічного порушення визначається час зміщення прояву раптового викиду відносно прогнозного часу:

Автором розроблено рекомендації по використанню прогнозу часових інтервалів з несприятливими змінами сили тяжіння при відробці особливо викидонебезпечних вугільних пластів і ділянок. Область застосування прогнозу несприятливих часових інтервалів:

- очисні вибої з комбайновой, струговой виїмкой вугілля на пологих пластах і з молотковой виїмкой на крутих пластах;

- підготовчі вибої, проведення яких здійснюється за допомогою БВР в режимі струсового вибуху.

При відпрацюванні особливо викидонебезпечних вугільних пластів рекомендується;

- виїмку вугілля проводити в сприятливі часові інтервали ;

- в несприятливі часові інтервали установлювати технологічні перерви, тривалість яких дорівнює несприятливому часовому інтервалу;

- струсовий вибух проводити в несприятливі часові інтервали.

Якщо необхідно проводити виїмку вугілля в несприятливий часовий інтервал, виїмка вугілля проводиться з додатковими мірами безпеки :

- при виїмці вугілля на пологих пластах люди виводяться із лави з вихідної течії і по ходу її руху до місця підсвіження ;

- управління комбайном проводиться з відстані не менше 30 метрів зі свіжою течією повітря ;

- у пульта управління комбайном допускається перебування машиніста комбайна і двох ГРОВ – операторів кріпі .

Рекомендації повинні бути внесені в паспорт виїмочного участка і паспорт проведення і кріплення виробок, узгоджених з МакНДІ і затверджених директором ДХК .

При розгляданні програми розвитку гірничих робіт рекомендується установлювати навантаження на очисні вибої і темпи проведення підготовчих вибоїв з урахуванням результатів прогнозу несприятливих часових інтервалів.

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота являє собою завершене дослідження, в якому вирішена актуальна науково-технічна задача по установленню взаємозв’язку раптових викидів вугілля і газу з космогонічними факторами; обґрунтуванню і розробці метода прогнозування викидонебезпеки вугільних пластів при їх відпрацюванні з урахуванням несприятливих часових інтервалів, обумовлених припливними явищами, що дозволяє підвищити ефективність і безпеку гірничих робіт на пластах схильних до прояву раптових викидів.

Рішення сформульованих в роботі задач дозволило получити основні наукові і практичні результати .

1. Установлено, що газодинамічний стан масиву гірничих порід в істотній мірі залежить від впливу припливних сил, які є результатом спільної дії на земну кору таких космогонічних факторів, як сонячна активність, кутова швидкість обертання Землі, рух полюсу Землі.Такий спільний вплив характеризується переміщеннями в земній корі, зв’язане із зміною сили тяжіння.

2. Розроблена газодинамічна модель масиву гірських порід, яка ураховує вплив припливних сил на газодинамічний стан цього масиву. Запропонована

геодинамічна модель дозволяє оцінити зміни напруженного стану і визначити напрямок вектору дисбалансу тензорів напружень в локальних зонах масиву гірничих порід.

3. Установлений кореляційний зв’язок прояву раптових викидів вугілля і газу із змінами космогонічних факторів. Найбільшою тіснотою зв’язку характеризується частота раптових викидів в залежності від змін сонячної активності ( r = 0,71 ) і від змін сили тяжіння ( r = 0,69 ).

4. Підтверджено, що урахування змін сонячної активності і сили тяжіння дозволяє найбільш надійно прогнозувати несприятливі часові інтервали, в перебігу яких зростає викидонебезпека розробляємих вугільних пластів.

5. Підтверджено гіпотезу про наявність аномалії сили тяжіння поблизу геологічних порушень.Експериментально встановлено, що така аномалія виявляється у зміщенні часового інтервалу реалізації раптового викида відносно прогнозного несприятливого часового інтервалу від – ( 1-2 ) до + (1-2 ) години.

6. Приведені в розділах 1-4 результати досліджень покладено в основу “Метода прогнозування викидонебезпеки вугільних пластів з урахуванням впливу космогонічних факторів “, розробленого автором, суть якого зводиться до прогнозування часових інтервалів з несприятливим впливом на геодина-мічний стан масиву гірничих порід цих факторів. Розроблений метод прогно-зування викидонебезпеки вугільних пластів відрізняється тим, що будують кри-ву сили тяжіння для визначення схибів кривої графіка присутністю геологічних порушень в зоні впливу на масив і корегують її, а несприятливі часові інтервали викидонебезпеки гірничого масиву визначають по середньодобовим значенням швидкості прирощень сили тяжіння і їх знаку полярності. Пропонуємий метод підвищує надійність застосовуваних методів прогнозу.

7. Пропонуємий метод прогнозу викидонебезпеки вугільних пластів з врахуванням несприятливих часових інтервалів рекомендується застосовувати при плануванні розвитку гірничих робіт разом з відомими технічними і техно-логічними засобами по запобіганню раптових викидів вугілля і газу.

8. Промислова перевірка розробленого метода прогнозу на шахті “Гли-бока” ДП ДХК “ Донецьквугілля” повністю підтвердила її обумовленість і вір-ність. Всі раптові викиди ( n = 79 ) на пластах h4 і h10 здійснились у викидоне-безпечних зонах в прогнозуємих несприятливих часових інтервалах.

9. Приведені у роботі дані і розрахунки показують, що застосування роз-робленого методу прогнозу викидонебезпеки вугільних пластів з урахунком впливу космогонічних факторів дозволяє уникнути тяжких соціальних і еконо-мічних наслідків, пов’язаних з проявом раптових викидів вугілля і газу, підви-щити безпеку гірничих робіт, поліпшити техніко-економічні показники видо-бувних і підготовчих участків, не допустити затрат на ліквідацію наслідків раптових викидів. Очікуємий річний економічний ефект складає 3108000 гри-вень.

10. Результати досліджень і запропонована “Методіка прогнозу викидо-небезпеки вугільних пластів при їх розробці з урахуванням впливу космо-гонічних факторів” розглядались на науково-технічній нараді відділу газоди-намічних явищ МакНДІ і на засіданні Центральної комісії по боротьбі з газоди-намічними явищами в шахтах вугільної промисловості України, були ухвалені і рекомендовані для широкої промислової перевірки і впровадження при відпрацюванні особливо викидонебезпечних вугільних пластів без скасування застосовуваних методів прогнозу ( відповідно протоколи № 1 від 7.04.2000 р. і № 17 від 8.06.2000 р. ).

Основні положення і результати дисертації опубліковані в таких роботах :

1. Овчаренко В.Л., Приходько С.Ю. Влияние приливных деформаций на газоди-намические явления в шахтах. // Уголь Украины.-1998.-N 6.- С.35-36.

2. Овчаренко В.Л., Приходько С.Ю. Связь выбросоопасности угольных шахто-пластов Донбасса с изменениями солнечной активности и силы тяжести. // Уголь Украины.-1999.-N 8.- С.35-37.

3. Зуев Л.А., Приходько С.Ю. О взаимосвязи частоты внезапных выбросов с кос-могенными и геофизическими факторами. // Уголь Украины.-2000.-N 5.-С.41.

4. Валуконис Г.Ю., Приходько С.Ю. Периодичность катастроф на шахтах Донбасса и их связь с гравитационным воздействием Луны. // Материалы Меж-дународного конгресса “Фундаментальные проблемы естествознания “, -Санкт-Петербург.-1998.-С.31.

Особистий внесок автора в роботи, опубліковані у співавторстві, полягає в такому: [1, 2 ] – дослідження взаємозв’язку космогоніч-них факторів з газоді-намічним станом гірничого масиву ; [ 3 ] – систематизація отриманих резуль-татів, розробка методу прогнозу часових інтервалів з несприятливими змінами космогонічних факторів; [4] – постановка задачі

АНОТАЦІЯ

Приходько С.Ю. “Обгрунтування методу прогнозування викидонебезпеки вугільних пластів при їх розробці з урахуванням впливу космогонічних факторів” . - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.11- “Фізичні процеси гірничного виробництва”, -Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2002 р.

Захищається методика розробки прогнозу викидонебезпеки вугільних пластів з урахуванням впливу на газодінамічний стан гірничого масиву кос-могонічних факторів. Установлена закономірність впливу на газодінамічний стан гірничого масиву припливних сил в земній корі. Установлено критерії зміни космогонічних факторів (сонячної активністі, сили тяжіння, кутової швидкісті обертання Землі, руху полюсів Землі), які впливають на прояв раптових викидів вугілля і газу в шахтах. Розроблена методика прогнозування часових інтервалів з несприятливими змінами сили тяжіння при відпрацюванні особливо викидонебезпечних вугільних пластів на шахтах Донбасу і рекомендації по використанню цього методу.

Ключові слова : гірничий масив, раптовий викид вугілля і газу, репер, викидонебезпечний пласт, методика прогноза, сонячна активність, сила тяжіння, припливні сили, несприятливі часові інтервали.

АННОТАЦИЯ

Приходько С.Ю. “Обоснование метода прогнозирования выбросоопасности угольных пластов при их разработке с учетом влияния космогонических факторов” .- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11- “Физические процессы горного производства” - Нацио-нальный горный университет, Днепропетровск, 2002 г.

Защищается методика разработки прогноза выбросоопасности угольных пластов с учетом влияния на газодинамическое состояние горного массива космогонических факторов. Исследования проведенные в работе по-казали взаимосвязь между приливными силами в земной коре и проявлением внезапных выбросов угля и газа. При наличии геологических нарушений в горном массиве возникают искажения приливной деформации, которые проявляются смещением во вре-мени ожидаемых амплитуд земной коры, что приводит к смещению во времени проявлений внезапных выбросов. Эти смещения имеют периодический характер. Во время экспериментальных исследований проявления внезапных выбросов в угольных пластах h4 и h10 вблизи Первомайского и Итальянского разломов автором была подтверждена эта научная гипотеза. Реализация внезап-ных выбросов происходила с задержкой или опережением во времени относи-тельно прогнозного времени реализации.

Была построена геодинамическая модель горного масива на основе которой про-водилось теоретическое исследование влияния космогонических факторов на проявление внезапных выбросов угля и газа в шахтах. Исследование геодинамической модели горного массива показало, что приливные силы периодически изме-няют направление дисбаланса тензоров напряженности между отдельными об-ластями горного массива, а это в свою очередь проявляется при ведении горных работ.

На основе полученных закономерностей был разработан метод прогноза временных интервалов с неблагоприятными изменениями космогонических факторов относительно проявления внезапных выбросов и рекомендации по его применению. Критериями неблагоприятных изменений космогонических факторов являются скорость приращения параметров факторов и изменение знака приращения. За период с 01.01.1999 г. по 01.09.2000 г. совпадение временных интервалов, в которых произошли внезапные выбросы угля и газа, с прогноз-ными неблагоприятными временными интервалами составило около 100%.

Прогноз неблагоприятных временных интервалов дает возможность повысить надежность применяемых методов прогнозирования выбросоопасности угольных пластов. При рассмотрении программы развития горных работ рекомендуется устанавливать нагрузки на очистные забои и темпы проведения подготовительных работ с учетом неблагоприятных временных интервалов.

Ключевые слова: горный массив, внезапный выброс угля и газа, репер, выбросоопасный угольный пласт, методика прогноза, солнечная активность, сила тяжести, приливные силы, неблагоприятные временне интервалы.

SUMMARY

Prihodko S. ”Substantiation of prognoses methods conserning sudden coal outbursts danger.while coal-strata are being worked, wits regard for the influence of cosmogonical factors “.- Manuscript.

Thesys for a candidad’s degree by a speciality 05.15.11 – Physical processes of mountain production”, National Mining University, Dniepropetrovsk, 2002.

The dissertation is devoted to the researches of connection of sudden coal-and-gas outbursts in the coal-mines of the Donbas with global factors :solar activity,gravity,angular speed of rotation the Earth, movement of the Earts pole.On the basis of the received results of the estimation of importance of the above-mentioned factors on the frequency of sudden coal-and-gas outburts,the methods of forecasting of time intervals with “unfourable” changes of solar activity and gravity.

Keywords :outburst seam, sudden coal-and-gas outburst, bench-mark..