НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ ГІРНИЧИХ ПРОЦЕСІВ

Гладка Олена Вікторівна

УДК 539.2:622.831:552.1

ОЦІНКА СТАНУ ГІРНИЧОГО МАСИВУ З МЕТОЮ ПРОГНОЗУ

МАЛОАМПЛІТУДНИХ РОЗРИВНИХ ПОРУШЕНЬ ТА

ВИКИДОНЕБЕЗПЕЧНОСТІ

Спеціальність 05.15.11 – Фізичні процеси гірничого виробництва

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк-2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики гірничих процесів НАН України

(м. Донецьк)

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Алєксєєв Анатолій Дмитрович,

директор Інституту фізики гірничих процесів НАН України

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Гончаренко Вячеслав Олександрович, провідний науковий співробітник Інституту геотехнічної механіки НАН України (м. Дніпропетровськ)

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Дрібан Віктор Олександрович, завідувач лабораторії гірничого тиску Українського державного науково-дослідного та проектно-конструкторського інституту гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України (м. Донецьк)

Провідна установа:

Державне підприємство “Комплексний науково-дослідний та проектно-конструкторський інститут з проблем центрального району Донбасу” (Дон НДІ) Міністерства палива та енергетики України (м. Горлівка)

Захист відбудеться "05" червня 2003 р. о 12 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.184.02 при Інституті фізики гірничих процесів НАН України за адресою: 83114, Донецьк, вул. Р.Люксембург, 72.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики гірничих процесів НАН України за адресою: 83114, Донецьк, вул. Р.Люксембург, 72.

Автореферат розісланий "03" травня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, канд. техн. наук

В.М. Ревва

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Зараз із збільшенням глибини розробки вугільних родовищ гірничо-геологічні умови добування вугілля безперервно погіршуються. Через це виникає гостра необхідність більш поглибленого вивчення гірничо-геологічних факторів, впливаючих на стійкість та обрушуваність покрівель гірничих виробок, а також прогнозування властивостей і стану гірничого масиву, у зв’язку з проявленням викидонебезпечності вугілля і порід. Вирішення даних питань здебільш визначає ефективність і безпеку експлуатації вугільних родовищ.

Одним з основних геологічних факторів, ускладнюючих проведення гірничих робіт, являється тектонічне порушення вугільних пластів, а саме розривні порушення. Розриви суцільності гірничих порід здійснюють досить суттєвий вплив на продуктивність, економічну ефективність і безпеку праці при проведенні гірничих робіт, а також на можливість застосування сучасних способів розробки вугільних пластів. Великі та середньоамплітудні розривні порушення сьогодні досить достовірно виявляються і простежуються геологорозвідувальними роботами через те, що часто являються природними межами шахтних полів і виїмочних дільниць і значного впливу на добування вугілля не чинять. Особливу зацікавленість викликають малоамплітудні тектонічні порушення, котрі при раптовому проявленні суттєво ускладнюють проведення гірничих робіт і негативно впливають на усі ланцюги циклу.

Не менш важливими із ускладнюючих факторів, які впливають на проведення гірничих робіт на великих глибинах, є викиди породи та газу. Проведення виробок по викидонебезпечним породам потребує застосування різних противикидних заходів, що призводить до зниження темпів проходки, подорожчання робіт і погіршення стану безпеки праці. Існуючі нині способи прогнозування оцінюють в основному потенційну викидонебезпечність порід і лише з певним ступенем надійності місцезнаходження викидонебезпечних зон і осередків викиду.

Тому актуальним залишається пошук нових, більш надійних способів і методів прогнозування основних геологічних факторів і явищ, які чинять значний вплив на стан масиву при експлуатації вугледобувних підприємств.

Прогноз малоамплітудних розривних порушень і оцінка стану гірничого масиву при проведенні гірничих робіт по викидонебезпечним породам – важлива наукова і практична задача.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана відповідно з головним науковим напрямком роботи ІФГП НАН України, пов’язаним з дослідженнями зстворення способів прогнозу стану гірничого масиву у різних гірничо-геологічних умовах (№ ДР. 0100U002912, № ДР. 0102U003845).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є оцінка стану гірничого масиву за фізико-механічними властивостями порід для розробки методів прогнозу малоамплітудних тектонічних порушень і викидонебезпечності гірничих порід у підготовчих виробках на пологих пластах.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

- дослідити вплив малоамплітудних розривних порушень на характер зміни міцністних, пружних властивостей і ефективної поверхневої енергії вміщуючих вугільний пласт порід;

- оцінити вплив тектонічного порушення на структурний стан гірничих порід і встановити зв'язок структурних перетворень піщаників з викидонебезпечністю;

- розробити методику прогнозування малоамплітудних розривних порушень з урахуванням встановлених на основі експериментальних даних закономірностей зміни фізико-механічних властивостей гірничих порід;

- удосконалити метод прогнозування викидонебезпечності піщаників за ефективною поверхневою енергією;

- виконати експериментальну перевірку розроблених технологічних рішень і визначити їхню економічну ефективність для конкретних шахт.

Ідея роботи полягає у встановленні зв’язку закономірностей зміни тріщиностійкості гірничих порід з місцем розташування малоамплітудних розривів і зон викидонебезпечності.

Об'єктом дослідження є масив гірничих порід в зонах впливу малоамплітудних розривних порушень і у місцях прояву газодинамічних явищ.

Предметом дослідження є параметри прогнозу малоамплітудних розривних порушень і викидонебезпечності піщаників.

Методи досліджень. Для вирішення наукових задач, поставлених у роботі, був застосований комплекс методів, який включає:

- лабораторні методи дослідження фізико-механічних властивостей, ефективної поверхневої енергії і структурних параметрів вміщуючих порід;

- аналіз одержаних результатів експериментів з використанням сучасних методів математичної статистики і кореляційного аналізу;

- шахтні випробування нових технологічних рішень за прогнозом малоамплітудних розривних порушень і викидонебезпечності гірничих порід.

Наукові положення, які захищаються в дисертації:

1. Зміни величини ефективної поверхневої єнергії гірничих порід в зонах впливу малоамплітудних розривних порушень обумовлені поліморфними перетвореннями породоутворюючого мінералу кварцу у вигляді - перехід.

2. Тріщиностійкость гірничих порід біля малоамплітудних розривних порушень залежить від параметрів розриву: амплітуди (експоненційно) та зони впливу (прямолінейно).

3. Точність та надійність прогнозу викидонебезпечності піщаників за ефективною поверхневою енергією визначається одночасним врахуванням змін тріщиностійкості і пружних властивостей порід.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1. Вперше встановлено, що в результаті дії тектонічних процесів у гірничій породі відбувається зміна її структурних елементів, що супроводжується фазовими перетвореннями породоутворюючого мінералу кварцу у вигляді - перехід, що призводить до зміни величини ефективної поверхневої енергії у зонах впливу малоамплітудних розривних порушень від 60 до 80 %.

2. Розроблений метод прогнозу малоамплітудних розривних порушень, який відрізняється тим, що вперше при визначенні параметрів тектонічних розривів використовується характеристика тріщиностійкості гірничих порід – ЕПЕ, що дозволяє суттєво підвищити точність прогнозу.

3. Удосконалений спосіб прогнозу викидонебезпечності піщаників за ефективною поверхневою енергією за рахунок урахування сінфазності зміни тріщиностійкості і пружних властивостей.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій, наведених у роботі, підтверджуються:

- коректністю постановки і вирішенням задач, застосуванням основних положень математичної теорії тріщин, апробованих методів дослідження фізико-механічних властивостей і структури гірничих порід на різних масштабних рівнях, забезпечуючих необхідну точність вимірювань (похибка не більше 10 %, середньоквадратична помилка обробки результатів дослідження становила 10-15 %);

- достатнім об’ємом виконаних експериментальних вимірювань і шахтних спостережень (більше 500 порід безпосередньої покрівлі вугільних пластів, вміщуючих вугілля марок Ж, Т, А на чотирьох шахтах Донбасу);

- задовільною збіжністю результатів випробувань розроблених методів в шахтних умовах з фактичним проявленням у гірничому масиві малоамплітудних розривних порушень і викидонебезпечності піщаників.

Наукове значення роботи полягає в теоретичному обгрунтуванні параметрів прогнозування малоамплітудних тектонічних розривів і викидонебезпечності піщаників при проведенні підготовчих виробок на пологих пластах, розроблених на основі закономірностей зміни тріщиностійкості гірничого масиву і пружних властивостей вміщуючих порід.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що на основі отриманих в дисертаційній роботі результатів дослідження розроблений метод прогнозу малоамплітудних розривних порушень з амплітудою зміщення пласта до 3 м, котрий дозволяє у процесі проведення підготовчих гірничих робіт встановлювати місцеположення та параметри порушення, а також удосконалений метод прогнозу викидонебезпечності піщаників за ефективною поверхневою енергією.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи. Виконані у роботі дослідження були використані для прогнозу малоамплітудних розривів при проведенні підготовчих гірничих робіт на шахті “Глибока” ш/у “Донбас” ГХК “Донвугілля” і за оцінкою викидонебезпечного стану піщаника на шахті ім. О.Г.Стаханова ВО “Красноармійськвугілля”. Методика оцінки викидонебезпечності піщаників передана ВО “Красноармійськвугілля”.

Особистий внесок здобувача полягає в обгрунтуванні ідеї і напрямку роботи, у формуванні мети, задач дослідження і наукових положень, у плануванні, виконанні наукових досліджень, обробці та аналізі отриманих результатів, розробці методів та їхньому випробуванні в шахтних умовах.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи обговорювалися і отримали схвалення на наукових семінарах у 1999-2002 р.р. ІФГП НАНУ, на Ш Міжнародній науковій конференції “Вібротехнологія - 2001” (Одеса, 2001 р.), на Х1 Міжнародній науковій конференції “Деформування і руйнування матеріалів з дефектами і динамічні явища в гірничих породах і виробках” (Сімферополь, 2001р.), на 7 Міжнародній конференції НР-2002 “Фундаментальні і прикладні аспекти” (Донецьк, 2002 р.).

Публікації. На основі отриманих в дисертації результатів автором опубліковано 9 друкованих робіт, серед яких 7 статей – у спеціалізованих виданнях, затверджених ВАК України, 2 – у матеріалах конференцій.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел літератури з 126 найменувань і містить 110 сторінок машинописного тексту, 31 рисунок, 15 таблиць і додатки на 16 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Розділ 1. Аналіз стану проблеми і задачі досліджень

Проблема прогнозу ймовірності зустрічних малоамплітудних розривних порушень гірничими виробками і забезпечення стійкості порід покрівлі у зонах впливу розривів є однією з актуальних при управлінні гірничим тиском.

Вивченню і прогнозуванню малоамплітудних тектонічних розривів для різних вугільних басейнів і родовищ, а також дослідженню стійкості покрівель пластів присвячено багато наукових робіт, в яких детально проаналізовані гірничо-геологічні і гірничотехнічні фактори, впливаючі на стійкість порід. Великий внесок у вивчення питань розробки вугільних родовищ у складних гірничо-геологічних умовах був зроблений ученими С.Г. Авершиним, Р. Адлером, Н.В. Гзовським, А.С. Забродіним, В.В. Ржевським, І.Л. Черняком, Ю. Фіцом, М. Хеммеріхом та інш. Обгрунтування і розробка параметрів оцінки стану гірничого масиву відносно різних гірничо-геологічних умов знайшли відображення у роботах А.А. Борисова, В.Д. Слєсарєва , А.Д. Алєксєєва, С.Г. Андрушкевича, В.Т. Давидянца, М.П. Зборщика, В.В. Назимка, В.М. Ревви, Д.С. Ростовцева та інш.

Як показують дослідження К.А. Ардашова, Н.Є. Волошина, Ф.Н. Воскобоєва, В.А. Гончаренка, П.В. Єгорова, В.Е. Забігайло, В.С. Ланди, В.В. Лукінова, В.І. Ніколіна, М.А. Рязанцева, О.І. Чернова та інш., на великих глибинах у зонах тектонічних порушень погіршуються умови експлуатації підготовчих та очисних виробок, часто проявляються гірничі удари, раптові викиди вугілля, породи і газу.

Аналіз робіт присвячених прогнозним оцінкам стану гірничого масиву показав, що існуючі методи прогнозу не завжди являються достатньо надійними і достовірними. Різноманітність і складність гірничо-геологічної і гірничо-технічної обстановки при розробці свит пластів на сьогодні не дозволяють розробити універсальну методику оцінки стану гірничого масиву, яка б враховувала всю різноманітність факторів, впливаючих на характер протікання геомеханічних процесів. Так при прогнозі тектонічних розривів суцільності вугільних пластів найбільші похибки (понад 40 %) припадають на порушення з діапазоном амплітуд до 3 м, які зараз є найбільш багаточисельними. А застосовувані нормативні методи прогнозу викидонебезпечності порід часто дають прогноз “небезпечно” у безпечних зонах, що призводить до повсякмісного застосування струсного взривання, великому перерозходу трудових і матеріальних ресурсів. Таким чином, питання прогнозування малоамплітудних розривних порушень і викидів у зв’язку з підвищенням ступеню викидонебезпечності пластів і вміщуючих порід при розробці вугільних родовищ на великих глибинах залишається актуальним до цього часу.

На основі аналізу вивчення питання і вимог до практики розробки тектонічних порушених і викидонебезпечних вугільних пластів були сформульовані мета і задачі досліджень.

Розділ 2. Методіка досліджень

Для вирішення поставлених у роботі задач досліджень були використані лабораторні методи визначення міцністних і деформаційних властивостей гірничих порід за допомогою установки УНТС, конструкції ІФГП НАНУ. Серед багатьох експериментальних методик визначення ЕПЕ. які в основному створені для металів, для гірничих порід були апробовані у ІФГП НАНУ і виявилися найбільш прийнятними:

- метод розколювання дисків, застосовуваний для кернових проб;

- інженерний метод визначення ЕПЕ, застосовуваний для штуфових проб;

- спосіб визначення ЕПЕ гірничих порід при об'ємному стисканні.

У дисертаційній роботі для уточнення абсолютних значень ЕПЕ гірничих порід найбільш часто використовувався інженерний метод . Згідно з інженерною методикою зразки виготовлялися у вигляді балочок довжиною 100-150 мм з прямокутною формою перерізу (25х8 мм). У балочці алмазним диском нарізалася штучна щілина, що виходила на поверхню глибиною понад 0,2 висоти балочки. Причому радіус устя щілини повинен бути не більший 0,5 мм. Вигин балочки здійснюється моментом сили Р, прикладеної до площини балочки.

Для аналізу і обгрунтування одержаних у дисертаційній роботі закономірностей зміни фізико-механічних властивостей гірничих порід були досліджені їхні структурні особливості. Як основні і найбільш апробовані методи дослідження структури гірничих порід на різних масштабних рівнях використовувалися петрографічний метод та метод рентгенівської дифракції. Лабораторні дослідження текстурно-структурних особливостей і визначення речовинного складу гірничих порід виконувалися на спеціально виготовлених шліфах за допомогою поляризаційного мікроскопу ПОЛАМ-Р111. При дослідженні структурних перетворень у породоутворюючих мінералах на рівні кристалічної решітки вивчалися рентгенограми порошку діспергованих порід, одержаних на установці УРС-55А у хромовому К - випромінюванні.

Як об’єкти дослідження були вибрані вміщуючі породи у межах полів шахт Донецько-Макіївського, Торезько-Сніжнянського та Червоноармійського геолого-промислових районів.

При вивченні впливу малоамплітудних тектонічних порушень на фізико-механічні властивості порід випробовувалися такі літологічні різності, як піщаники, аргіліти, алевроліти. Дані літотипи займають найбільшу питому вагу в продуктивній товщині родовища (до 90 %) і являються вміщуючими породами вугілля різного ступеню метаморфізму (вугілля марок Ж, Т, А).

Обробка одержаної інформації здійснювалася за допомогою відомих методів математичної статистики.

Розділ 3. Оцінка стану гірничого масиву у зонах малоамплітудних розривних порушень за ефективною поверхневою енергією

У цьому розділі наведені результати досліджень і спостережень за мінливістю фізико-механічних параметрів (міцності, пористості. вологості, модуля пружності) у зонах впливу малоамплітудних розривних порушень. Інтегральною характеристикою вказаних властивостей у масиві прийнята ефективна поверхнева енергія (ЕПЕ), характеризуюча енергетичні витрати на утворення нової поверхні. Вперше поняття поверхневої енергії було введено Гріффітсом. Згідно з теорією Гріффітса, при руйнуванні твердого тіла витрата його потенційної енергії компенсується збільшенням поверхневої. Іншими словами, щілина при своєму зростанні перетворює потенційну енергію твердого тіла у поверхневу. Поверхнева енергія щілини U0 дорівнює добутку площі поверхні щілини S на енергію 0 , затрачену при утворенні щілини.

U0 = S 0.

У більшості реальних тіл, при порівняно низьких напругах (нижче границі теоретичної міцності теор), починається пластична деформація. Тому у місцях з підвищеними напруженнями (наприклад, біля вершини щілини) пластична деформація може розпочатися раніше ніж руйнування і істотно змінити його характер. Відповідно до літературних даних і досліджень, проведених в дисертаційній роботі, комплекс пластичних деформацій як у породоутворюючих мінералах (кварц, плагіоклаз, польові шпати), так і у мінералах цементу (вторинний карбонат, слюди) був встановлений у вуглевміщуючих піщаниках Донбасу. Існування пластичної зони, оточуючу щілину, пов’язане з певними енергетичними витратами. Тому замість питомої поверхневої енергії вводиться ефективна поверхнева енергія, яка включає ПЕ, енергію пластичної деформації (основні витрати), електричну компоненту, обумовлену накопиченням зарядів на берегах утворених мікрощілин, теплову, акустичну, мікросейсмічну та ряд інших витрат енергії.

Нині величина ЕПЕ представляє найбільшу зацікавленість для практики як характеристика, інтегрально враховуюча усі енергопоглинаючі процеси, локалізовані безпосередньо перед фронтом щілини. На відміну від використаних для оцінки руйнування гірничих порід міцністних і деформаційних характеристик, ЕПЕ дає можливість оцінити локальні властивості зразка при навантаженні, являючись інтегральною характеристикою опірності гірничих порід руйнуванню.

Експериментальні роботи з вивчення впливу малоамплітудних розривних порушень на мінливість ефективної поверхневої енергії проводилися на пластах h4 “Мандрикінський” (глибина залягання 600 м) на шахті “Глибока” (ДХК “Донвугілля”), 11 “Пугачовка” (900 м) на шахті ім. О.Ф. Засядько і g2н “Наталія” (450 м) в межах поля шахти “Комуніст” (ДХК “Октябрьвугілля”).

У тектонічному відношенні досліджувані дільниці мають складний характер. Виробки перетинаються серією середньоамплітудних і малоамплітудних порушень. Геологічні порушення являються потенційними джерелами газу метану.

При дослідженні впливу розривних тектонічних порушень на характер зміни фізико-механічних властивостей порід було вивчено 12 розривних порушень, виявлених підготовчими виробками. За свідченнями і описаннями шахтних геологів визначається морфологічний тип порушень. Проби відбиралися із забоїв гірничих виробок. Всього було відібрано, описано і вивчено біля 500 проб вміщуючих порід. Для співставлення одержуваних результатів експериментів і спостережень усі дослідження носили порівняльний характер і проводилися у кожній із наступних зон: несхильних до впливу порушень і безпосередньо у зоні порушення.

В результаті проведених експериментів встановлено, що у зонах, прилеглих до розривних порушень (у межах одного літотипу порід), спостерігається періодичний характер зміни як міцністних, так і деформаційних властивостей вміщуючих вугільний пласт порід. Проте найбільших змін у зоні впливу розривів зазнає ефективна поверхнева енергія. Її абсолютні значення зменшуються у 2-3 рази.

Зміни значень ЕПЕ порід, що вивчаються, як інтегральної характеристики, відносно фонових вже спостерігаються при підході до розривних порушень. Так, величина ЕПЕ вміщуюча вугільний пласт порід в районі малоамплітудних тектонічних порушень на 60-80 % менша фонового значення, визначеного у непорушній частині вугільного пласта. При цьому величина перепаду ЕПЕ порід збільшується із зростанням амплітуди порушень як для скидного типу, так і для підкидів (насувів).

На рис. 1 представлені результати вимірів модуля пружної деформації і ЕПЕ піщаника безпосередньої покрівлі пласта h4 відносно фонових значень при проходженні бортової виробки № 18 у межах поля шахти “Глибока” (ДХК “Донвугілля”).

Рис. 1. Зміна фізико-механічних властивостей піщаника пласта h4 за бортовою виробкою № 18 (ш. “Глибока”):

– вугільний пласт; – піщаник; – сланець піщаний;

– викид вугілля;

h – амплітуда порушення, м; L – довжина виробки, м;

1 – ЭПЭ (Г); 2 – модуль Юнга (Е)

Відповідно до одержаних даних при наближенні вибою виробки до зміщувача скидання з амплітудою зміщення вугільного пласта 1 м в межах 5 – 10 м відмічається зменшення значення ЕПЕ піщаника до 60 %. Найбільші зміни ЕПЕ (72 %) зафіксовані безпосередньо в зоні зміщувача (221 м від магістрального вент. штрека пласта h4).

Аналіз літературних даних показав, що в результаті процесів, ініційованих у гірничі породі зовнішнім впливом, відбувається зміна дефектності її структурних елементів. Руйнування гірничих порід в об’ємному полі стискуючих напружень супроводжується структурно-фазовими перетвореннями породоутворюючих мінералів. Так, в основному породоутворюючому мінералі піщаників – кварці чергуючись відбувається ряд поліморфних переходів:

б – ?варц - в – ?варц - ? – тридиміт - ? – кристобаліт.

Дослідження і спостереження показали, що подібні структурні перетворення являються результатом дії тектонічних напружень. Так у вуглевмістких піщаниках із зон впливу розривних порушень були виявлені поліморфні перетворення кварцу, типу - перехід. Поява в піщанику - кварцу (до 100 %) як основної фази, являється межею дії підвищених напружень у вугільному пласті, що досить важливо при прогнозуванні тектонічних розривів з різною амплітудою зміщення (рис. 2.).

Рис. 2. Зміна структурного стану піщаника за бортовою виробкою № 18 (ш. “Глибока”):

L – довжина виробки, м; h – амплітуда порушення, м

У викидонебезпечних зонах також виявляються високотемпературні переходи типу порядок-безпорядок, котрі встановлюються за наявності трідіміту, крістобаліту, аморфізованого кремнезему. При цьому фаза кристобаліту відповідає основній фазі породоутворюючого кварцу у піщанику. Так, безпосередньо біля місць викиду породи і газу в зонах тектонічних розривних порушень у піщанику виявляється - кристобаліт при основній фазі - кварцу. Поза зони впливу розривів, у місцях викидів породи і газу, поряд з основною фазою кварцу у вигляді - SiO2, для піщаника характерна присутність високотемпературної фази - кристобаліту і різке збільшення наявності - кварцу як супровідної фази.

З поліморфними перетвореннями, викликаними тектонічними напруженнями, тісно пов’язані перепади ефективної поверхневої енергії піщаників і модуля пружності. Необхідно відмітити, що в зонах тектонічних порушень ЕПЕ змінюється з модулем пружності сінфазно (у точці - переходу екстремуми модуля пружності і ЕПЕ співпадають). Сінфазна зміна цих параметрів, пов’язаних з появою кристоболітів, також спостерігається у місцях проявлення газодинамічних явищ (викидів вугілля, породи і газу). У невикидонебезпечних зонах і зонах, які не підлягають впливу тектонічного порушення, вказані параметри змінюються у протифазі.

Розділ 4. Розробка методу прогнозування малоамплітудних розривних порушень

У цьому розділі на основі одержаних в результаті досліджень закономірностей зміни фізико-механічних властивостей гірничих порід та їхньому зв’язку з перетворенням структури основних породоутворюючих мінералів, які відбуваються під дією тектонічних процесів, викладений метод прогнозу малоамплітудних розривних порушень і визначення їх параметрів (амплітуда зміщення, ширина зони впливу).

На відміну від існуючих методик прогнозування тектонічних розривних порушень, розроблений метод дозволяє визначити місцезнаходження не розкритого гірничими виробками розриву з діапазоном амплітуд 0,05-3 м з точністю до 10 %.

На основі експериментальних досліджень для прогнозування малоамплітудних розривних порушень у підготовчих виробках у період їхнього спорудження у районі згаданих порушень був розроблений критерій kh, відображуючий інтенсивність зміни комплексного показника КГ:

kн = КГ тек / КГ фон = , (1)

де КГ тек – значення КГ на і-му метрі виробки;

КГ фон – фонове значення КГ, визначене у непорушній частині вугільного пласта.

, (2)

де – об’ємна вага порід, Мн/м3;

Н – глибина закладення виробки, м;

l – довжина критичної щілини у зразку, м;

Г – ефективна поверхнева енергія; Дж/м2;

Е – модуль пружності, МПа;

v – коефіцієнт Пуассона.

Проявлення розривної тектоніки в гірничому масиві характеризується значенням kh 1,5.

Розроблений метод дозволяє здійснювати прогнозування малоамплітудних розривних порушень на різних глибинах відробки вугільного пласта, оскільки значення kh перебуває в залежності лише від параметрів розриву.

В результаті статистичної обробки матеріалів досліджень, була отримана кореляційна залежність (коефіцієнт кореляції R = 0,9) між шириною зони (Lн, м) аномальних значень kh і амплітудою порушення (h, м). Вона описується рівнянням:

Lн = 4,12 eхр (0,8 h) (3)

При подальшому дослідженні було встановлено, що між критерієм kh і шириною зони впливу розривного порушення ( в один бік від зміщувача) існує лінійний зв’язок В = f(kh) у вигляді функції:

B = 8,46 kh - 9,11 (4)

Отримані вище співвідношення дозволяють визначити місцезнаходження і параметри розривного порушення (амплітуду і зону впливу) за величиною kh.

Для перевірки надійності отриманого критерію kh запропонований метод прогнозування амплітудних розривних порушень був впроваджений у виробничих умовах. Дослідження, проведені в умовах шахти “Глибока” (ДХК “Донвугілля”) при проходженні бортових виробок № 15 (ПК 154+7 м), 16 (ПК 59+5 м), ходка лави № 23 (ПК 8+5 м, ПК 16) по пласту h4 показали хорошу збіжність прогнозних і фактичних даних.

Відповідно з проведеними випробуваннями запропонованого методу було спрогнозовано 4 розривних порушень, два з яких за нормативними методиками не вдавалося виявити (бортова виробка № 15, ходок лави № 23).

Так, при проходженні ходка лави № 23 (рис. 3) за попереднім геологічним прогнозом очікувалося розривне порушення насувного типу з амплітудою зміщення пласта 0,4 м і зоною впливу 10 м (ПК 13 – ПК 14+5 м). Проте, за результатами додаткових випробувань, проведених за запропонованою методикою, протягом усього вказаного інтервалу зміни величини комплексного показника КГ, відносного фонового не перевищили критичного значення kh 1,5 (kh факт = 0,9). Відповідно до запропонованого методу це свідчить про відсутність тектонічного порушення по ходу виробки. При подальшому проведенні ходка лави № 23 на ПК 15+2 м величина kh прийняла критичне значення (kh факт = 1,7), що відповідає попаданню виробки у зону впливу розриву з амплітудою зміщення пласта 0,5 м. За даним прогнозом положення щілини зміщувача передбачалося на ПК 15+7 м. Фактично порушення було виявлено на ПК 16.

Рис. 3. Геологічний розріз дільниці ходка лави № 23 (ш. “Глибока”):

1 – положення зміщувача порушення за прогнозом методом ув’язки з розривом у сусідній гірничій виробці;

2 – положення зміщувача порушення відповідно до методу за ефективною поверхневою енергією;

3 –фактичне місцезнаходження розриву.

У цілому сума економічного ефекту на шахті “Глибока” за рахунок зміни паспортів кріплення і БВР відповідно з прогнозом за розробленим методом становила 48 тис. грн.

Розділ 5. Удосконалений метод прогнозу викидонебезпечності піщаників за ефективною поверхневою енергією

На основі проведених досліджень з урахуванням структурно-фазових переходів був удосконалений метод прогнозу викидонебезпечності гірничих порід за ефективною поверхневою енергією, який на відміну від прогнозів викидонебезпечності порід за комплексним показником “В” з розділення кернів на диски і акустичними методами, дозволяє при проведенні гірничих виробок визначати координати осередків викидів або викидонебезпечних зон.

У процесі застосування методу прогнозу викидів за ефективною поверхневою енергією на шахті ім. О.Г. Стаханова (ВО “Червоноармійськвугілля”), а також шахтних спостережень за мінливістю властивостей порід на шахті “Глибока” (ДХК “Донвугілля”) встановлено, що при наявності періодичного характеру зміни фізико-механічних властивостей найбільш істотними і достовірними слід вважати зміни модуля пружності і ефективної поверхневої енергії, інтегрально відбиваючої любі перетворення у структурі, мінеральному складі, фізичному і фазовому стані гірничих порід. Розроблений метод дозволяє при прогнозі викидонебезпечності порід уникнути кількісних прогнозних показників пружності і ефективної поверхневої енергії, і перейти до фазових, частотних і амплітудних характеристик їхніх змін, що істотно спрощує прогноз і збільшує його точність.

Приведені автором дослідження показали, що у викидонебезпечних зонах спостерігається різке збільшення амплітуди і частоти коливань перерахованих параметрів. Так, у викидонебезпечних зонах довжина хвилі зменшується до 2 – 2,5 м, а зміна амплітуди коливань модуля пружності – 10 ГПа, поверхневої енергії – 50 Дж/м2 (див.табл.).

Таблиця

Характер зміни властивостей піщаника залежно від його стану

Зона | Довжина

хвилі, м | Ампітуда змінювання

Модуль пружності, ГПа | ЕПЕ, Дж/м2

невикидонебезпечна | 5-10 | 4 | 10

викидонебезпечна | 2-2,5 | 10 | 50

В результаті шахтних спостережень встановлено, що у місцях виявлення газодинамічних явищ відбувається синфазна зміна ефективної поверхневої енергії і модуля пружності піщаника (екстремуми модуля пружності і ЕПЕ співпадають). Сінфазна зміна вищезгаданих параметрів пояснюється наявністю у піщанику високотемпературних модифікацій кварцу (тридіміту, кристобаліту).

Так, у забої конвеєрного квершлагу на пласт 17 гор.986 м пробурена свердловина довжиною 20 м, керн якої розділений на диски через весь інтервал або має кільцеві щілини. Прогноз по ЕПЕ також виявив в інтервалі 13-16 м небезпечну зону. Проте на всій довжині скважини, як показано на рис. 4, спостерігається протифазна зміна ефективної поверхневої енергії і модуля пружності при середній довжині хвилі 5 м, що згідно із запропонованою методикою свідчить про відсутність викидонебезпечності недивлячись на різку зміну ЕПЕ і пружність порід. При наступному проведенні виробки динамічних явищ у вказаних інтервалах не зафіксовано.

Рис. 4. Зміни прогнозних показників у конвеєрному квершлазі на пласт 17 гор.986 м блоку № 2 шахти ім. О.Г.Стаханова:

- ефективна поверхнева енергія піщаника (ЕПЕ), Дж/м2;

- модуль Юнга (Е), ГПа

Застосування удосконаленого способу прогнозу викидонебезпечності гірничих порід на шахті ім. О.Г. Стаханова при проведенні конвеєрного квершлагу на пласт k5 блоку 5 (гор.825 м), північного конвеєрного штрека на пласт k5 блоку 4 (гор. 725 м), вентиляційного квершлагу № 1 блоку 4 (гор. 1136 м) і 2 конвеєрного штреку центрального бремсбергу пласта 11 блоку 3 підтвердило його високу надійність при оцінці викидонебезпечності піщаників та визначенні координат викидонебезпечних зон і показало гарну збіжність прогнозних і фактичних даних.

При впровадженні удосконаленого способу прогнозу викидонебезпечності гірничих порід за ефективною поверхневою енергією на шахті ім. О.Г. Стаханова за рахунок скорочення противикидних заходів у 1999-2001 р.р. був отриманий економічний ефект на суму 42,340 тис. грн.

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій одержано нове рішення актуальної наукової задачі з прогнозу малоамплітудних розривних порушень і підвищенні надійності прогнозу викидонебезпечності гірничих порід при проведенні гірничих виробок, обгрунтована можливість використання ефективної поверхневої енергії вміщуючих порід при прогнозуванні основних геологічних факторів і явищ.

Основні висновки отримані в результаті виконаних досліджень полягають у наступному:

1. Проведені дослідження і спостереження за мінливістю фізико-механічних параметрів гірничих порід в зонах тектонічного порушення дозволили встановити наявність періодичного характеру зміни практично всіх параметрів. Проте найбільш повно неоднорідність властивостей масиву, викликана дією тектонічних напружень, характеризує мінливість ефективної поверхневої енергії. Величина ЕПЕ вміщуючих вугільний пласт порід (у межах одного літотипу з постійним речовинно-петрографічним складом) у районі малоамплітудних розривних порушень на 60-80 % менше фонового значення, визначеного у непорушеній частині вугільного пласта.

2. В результаті досліджень характеру зміни фізико-механічних властивостей гірничих порід у зонах впливу малоамплітудних розривних порушень виявлено сінфазну зміну ефективної поверхневої енергії і модуля пружності (екстремуми модуля пружності і ЕПЕ співпадають). Сінфазна зміна цих параметрів спостерігається також у міцних і твердих (компетентних) слоях, котрі являються концентраторами напружень, з якими пов’язана викидонебезпечність.

3. Перепади ЕПЕ гірничих порід в зонах малоамплітудних розривів пов'язані із мінливістю дефектності структури породоутворюючого мінералу-кварцу. Так, проведені у дисертаційній роботі дослідження і спостереження показали, що поява - кварцу (до 100%) у піщанику як основної фази, є показником зміни деформаційного стану гірничого масиву, що досить важливо при прогнозі тектонічних розривів з різною амплітудою зміщення.

4. У викидонебезпечних зонах також виявляються високотемпературні переходи типу порядок-безпорядок, які встановлюються за наявності тридіміту, кристобаліту, аморфізованого кремнезему. При цьому фаза кристобаліту відповідає основній фазі породоутворюючого кварца у піщанику.

5. На основі експериментальних даних розроблений метод прогнозу розривних порушень з діапазоном амплітуд 0,5-3 м, що дозволяє при проведенні підготовчих робіт встановлювати або уточнювати місцезнаходження розриву за критерієм kh (формула (1)). Даний метод оснований на експериментальному визначенні ЕПЕ і пружних властивостей порід. Місцезнаходження прогнозуючого порушення встановлюються за отриманими у даній роботі кореляційними залежностями (3) і (4) між зміною величини kh та параметрами порушення (амплітудою, шириною зони впливу). Шахтними дослідженнями встановлена висока надійність розробленого методу і одержана хороша збіжність прогнозних і фактичних даних при проведенні підготовчих виробок на шахті “Глибока” ш/у “Донбас” ДХК “Донвугілля”. Сума економічного ефекту на шахті “Глибока” за рахунок зміни паспортів кріплення і БВР відповідно з прогнозом за розробленим методом становила 48 тис. грн.

6. На основі проведених досліджень з урахуванням структурно-фазових переходів і сінфазності зміни тріщиностійкості (ЕПЕ) та пружних властивостей розроблений удосконалений спосіб прогнозу викидонебезпечності гірничих порід за ефективною поверхневою енергією, який дозволяє при проведенні гірничих виробок визначати координати осередків викидів або викидонебезпечних зон. Удосконалений метод апробований на шахті ім. О.Г.Стаханова (ВО “Червоноармійськвугілля”). При впровадженні удосконаленого способу прогнозу викидонебезпечності гірничих порід за ефективною поверхневою енергією на шахті ім. О.Г. Стаханова за рахунок скорочення противикидних заходів у 1999-2001 р.р. був отриманий економічний ефект на суму 42,340 тис. грн.

Основні положення і результати дисертаційної роботи опубліковані в наступних друкарських роботах:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

Особистий вклад автора у роботи, опубліковані у співавторстві:

[1, 5] – здійснена постанова задачі і визначені параметри для оцінки стану гірничого масиву, що знаходиться в складних гірничо-геологічних умовах;

[2 – 4, 6] - проведення досліджень та обробка отриманих результатів;

[8, 9] - обгрунтування удосконалення методу прогнозу викидонебезпечності піщаників за ЕПЕ і аналіз результатів випробування нового методу в шахтних умовах.

АНОТАЦІЯ

Гладка О.В. оцінка стану гірничого масиву з метою прогнозу малоамплітудних розривних порушень та викидонебезпечності. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.11 – Фізичні процеси гірничого виробництва. – Інститут фізики гірничих процесів НАН України, Донецьк, 2003.

Дисертація присвячена питанням оцінки стану гірничого масиву за фізико-механічними властивостями порід для розробки методів прогнозу малоамплітудних тектонічних порушень і викидонебезпечності гірничих порід у підготовчих виробках на пологих пластах. Дослідження показали, що в результаті дії тектонічних процесів у гірничій породі відбувається зміна її структурних елементів, що супроводжується структурно-фазовими перетвореннями породоутворюючого мінералу кварцу у вигляді - перехід, що призводить до зміни величини ефективної поверхневої енергії у зонах впливу малоамплітудних розривних порушень від 60 до 80 %.

На основі теоретичних та експериментальних досліджень розроблений метод прогнозу малоамплітудних розривних порушень, що дозволяє при проведенні підготовчих робіт встановлювати або уточнювати місцезнаходження розриву з діапазоном амплітуд 0,5-3 м з точністю до 3 м.

За рахунок урахування сінфазності зміни тріщиностійкості і пружних властивостей удосконалений спосіб прогнозу викидонебезпечності піщаників за ефективною поверхневою енергією.

Ключові слова: тріщиностійкость, ефективна поверхнева енергія, структурно-фазові перетворення, малоамплітудні розривні порушення, викидонебезпечность.

АННОТАЦИЯ

Гладкая Е.В. Оценка состояния горного массива с целью прогноза малоамплитудных разрывных нарушений и выбросоопасности. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 – “Физические процессы горного производства”. – Институт физики горных процессов НАН Украины, Донецк, 2003 г.

Диссертация посвящена вопросам оценки состояния горного массива по физико-механическим свойствам пород для разработки методов прогноза малоамплитудных разрывных нарушений и выбросоопасности песчаников в подготовительных выработках на пологих пластах. В работе дано новое обоснование параметров прогноза разрывных нарушений с диапазоном амплитуд до 3 м и выбросоопасности песчаников на основе закономерностей изменения трещиностойкости пород. Исследования показали, что неоднородность свойств массива в пределах одной литологической разности, вызванную наличием тектонических разрывных нарушений наиболее полно отражает количественная характеристика трещиностойкости - эффективная поверхностная энергия пород (ЭПЭ). Величина ЭПЭ вмещающих угольный пласт пород (в пределах одного литотипа, с постоянным вещественно-петрографическим составом) в районе малоамплитудных разрывных нарушений на 60-80% меньше фонового значения, определенного в ненарушенной части угольного пласта. Изменения величины ЭПЭ горных пород в зонах влияния малоамплитудных разрывных нарушений обусловлены полиморфными превращениями породообразующего кварца в виде - перехода. Появление - кварца (до 100%) в песчанике в качестве основной фазы, является показателем изменения деформационного состояния горного массива, что весьма важно при прогнозе тектонических разрывов с различной амплитудой смещения.

Впервые установлено, что в местах проявления газодинамических явлений происходит синфазное изменение эффективной поверхностной энергии и модуля упругости песчаника (экстремумы модуля упругости и ЭПЭ совпадают). Синфазное изменение вышеуказанных параметров объясняется наличием в песчанике высокотемпературных модификаций кварца (тридимита, кристобалита).

На основе анализа выполненных исследований и математической обработки результатов для прогноза малоамплитудных разрывных нарушений был разработан критерий, который определяется степенью изменения трещиностойкости горных пород в окрестности геологического нарушения. Впервые получены зависимости разработанного критерия от параметров нарушения. Установлено, что вблизи малоамплитудных разрывных нарушений степень изменения трещиностойкости горных пород экспоненциально зависит от амплитуды и прямолинейно от зоны влияния нарушения. На основе полученных в диссертационной работе закономерностей разработан метод прогноза малоамплитудных разрывных нарушений, который позволяет на стадии подготовительных