Донецький національний технічний університет

Подкопаєв Сергій Вікторович

УДК 622.831.322

РОЗВИТОК ТЕОРІЇ ЗАХИСНИХ ПЛАСТІВ НА ОСНОВІ ВСТАНОВЛЕНИХ ПРИРОДНИХ ЗАКОНОМІРНОСТЕЙ ДЕФОРМАЦІЙ ГЕНЕТИЧНОГО ПОВЕРНЕННЯ

С п е ц і а л ь н і с т ь 05.26.01 - “О х о р о н а п р а ц і

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Донецьк-2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України (м.Донецьк).

Науковий консультант :

доктор технічних наук, професор Ніколін Віктор Ігнатович, професор кафедри “Охорона праці та аерологія” Донецького національного технічного університета Міністерства освіти і науки України (м.Донецьк).

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Ярембаш Ігор Федорович, професор кафедри “Розробка родовищ корисних копалин” Донецького національного технічного університета Міністерства освіти і науки України (м. Донецьк),

доктор технічних наук, професор Грядущий Борис Абрамович, директор ВАТ “Науково – дослідний інститут гірничої механіки ім. М.М.Федорова” Міністерства палива та енергетики України (м. Донецьк),

доктор технічних наук, професор Колесов Орест Андрійович, начальник відділа Донецького експертно – технічного центра Держнаглядохоронпраці України (м. Донецьк).

Провідна установа:

Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, кафедра аерології та охорони праці (м. Дніпропетровськ)

Захист відбудиться “08” жовтня 2004р. о 12-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.05 в Донецькому національному технічному університеті за адресою: 83000 м. Донецьк, вул. Артема, 58, I навч. к., ВАЗ.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донецького національного технічного університету (83000 м. Донецьк, вул. Артема, 58, II навч. к.)

Автореферат розісланий “02” вересня 2004р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 11.052.05

доктор технічних наук, професор М.Р.Шевцов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. На протязі майже сторіччя зі всіх відомих практиці способів розробки викидонебезпечних пластів, запобігання раптових викидів вугілля і газу найбільш ефективним, що практично виключає додаткові непродуктивні витрати і надійно забезпечує запобігання викидів, є спосіб випереджаючої (першочергової) відробки захисних пластів (далі для стислості Спосіб).

Висока оцінка названого заходу, вперше застосованого у Франції в 1905 р., поділяється фахівцями всього світу. В різні роки параметри Способу безупинно уточнювалися. Два параметри Способу (потужність порід міжпластя по нормалі М і випередження лавою захисного пласта гірничих робіт викидонебезпечного L) були запозичені у фахівців Франції і застосовані на шахтах Донбасу в 1939 р.

З 1939р. по 1958р. це були М?35м і L2М. З 1958р. до 1973р. на підставі результатів досліджень, виконаних МакНДІ, встановили М60м і L2М. Основним інструментом корегування параметрів способу на етапі, коли дослідження очолювалися МакНДІ, є досвід розробки викидонебезпечних пластів. При зіставленні об’ємів, площ, часу розробки викидонебезпечних, захисних пластів і потужності порід міжпластя при обов'язковому врахуванні числа викидів, що відбувалися, встановлювалася величина потужності порід міжпластя М та L, що забезпечують усунення викидонебезпечності. Не одиничними в шістдесяті-сімдесяті роки виявилися випадки раптових викидів, що відбувалися при виїмці вугілля у виробках, які у відповідності з нормативними рішеннями проводилися в умовах повного захисту.

Зокрема, раптовий викид на шахті ім. Гайового 07.08.1968 р., під час якого загинуло 5 працівників, відбувся при подвійному захисті М=39,7м при надробці і М=33,8м при підробці. Раптовий викид на шахті №3 ш/у “Олександрівське” 26.10.1974 р., під час якого загинуло 14 працівників, відбувся при надробці і М=25-24м.

Із-за незадовільного пояснення частини відбувшихся випадків раптових викидів виявилося прагнення зменшити розміри зон захисту. В Інструкціях по безпечному веденню гірничих робіт на викидонебезпечних пластах (видання 1977р, 1989р.) на підставі результатів досліджень ВНІМІ і Української філії ВНІМІ вводиться розрахунок зон захисту в покрівлю (підробка) і в підошву (надробка), при якому . Параметри Способу при розрахунках доповнюються новими: глибина розробки Н, м; процентний зміст пісковика в породах міжпластя ; мінімально допустиме випередження в покрівлю h1 і в підошву h2: не менше 20м.

В основі уточнення параметрів Способу виявилася “миттєва геометрія”, заснована на теорії пружності, тобто що виключає врахування фактору часу. Більш того, в Правилах безпеки видання 1973р. випередження зменшується з L2М до LМ. Нормативним стає положення про зменшення ефекту захисту при збільшенні глибини розробки.

В “Інструкції...”, видання 1989р., міститься положення про те, що при збільшенні глибини розробки з 300 до 1200м розмір захищеної зони в покрівлю зменшується в 2 рази. В дійсності в аварійній ситуації 1993р. на шахті ім. О. О. Скочинського (глибина 1200м, породи міжпластя на 100% представлені пісковиком) ефект захисту був встановлений на відстані більш 70 м від захисної лави, тобто майже в 3 рази переважаючому нормативне.

Принциповою причиною не дуже послідовної і обґрунтованої зміни величин потужності порід міжпластя, що забезпечує усунення викидонебезпечності, є недостатня її вивченість в п'ятдесяті-дев'яності роки XX століття.

Аналіз і узагальнення результативності Способу зумовили необхідність нового етапу корегування його параметрів, в тому числі потужності порід міжпластя М і випередження лавою захисного пласта гірничих робіт викидонебезпечного L, фактору часу, складу порід міжпластя, але тепер вже на принципово іншій науковій основі.

Сучасні дослідження природи руйнування осадочного масиву при розвантаженні дозволяють по-новому оцінити геомеханічні процеси, що відбуваються в породах міжпластя при першочерговій відробці захисних пластів. В основі їх розуміння знаходиться вивчення природних закономірностей розвитку деформацій зворотної повзучості, названих в роботі генетичним поверненням, що є слідством пам'яті гірничих порід про формування родовища.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами. Дисертаційна робота є результатом багатолітніх досліджень, виконаних при безпосередній участі автора в ДонНТУ, завершальна частина яких входить у відповідності з Постановою Кабінету Міністрів України від 06.07. 2002 р. №39 в тематику Міністерства палива та енергетики України “Програма підвищення безпеки робіт на вугільних шахтах” п. 116 “Розробити галузевий стандарт по безпечному веденню гірничих робіт на пластах, схильних до газодинамічних явищ”.

Метою роботи є обґрунтування параметрів способу першочергової відробки захисних пластів для запобігання раптових викидів вугілля і газу, що базується на природних закономірностях розвитку деформацій генетичного повернення при розвантаженні і що сприяє збільшенню розмірів зон захисту, ефективності Способу.

Поставлена мета визначила необхідність рішення наступних задач:

1. Розробити структурну модель гірничої породи, схильної до деформацій генетичного повернення, що відбиває раніше невідому властивість осадочного масиву і методики виміру схильності гірничих порід міжпластя до деформацій генетичного повернення, що враховують природу їх відміни від деформацій зворотної повзучості і що містять врахування цих особливостей.

2. Дослідити зміну за часом співвідношення обсягу порового простору, наведеного порами менш і більшими (рівними) 10-7 м, як доказ реальності і істотності деформацій генетичного повернення, природи збільшення схильності вугільних пластів до газовіддачі.

3. Експериментально вивчити розвиток деформацій зворотної повзучості зразків гірничих порід, що не володіють генетичною пам'яттю і що знаходились тривалий час в стані нерівнокомпонентного триосного стиснення.

4. Експериментально-аналітично вивчити особливості розвитку деформацій генетичного повернення при збільшенні – “поверненні” материнської води (вологості).

5. Експериментально-аналітично визначити залежність розмірів зон захисту на викидонебезпечних пластах при застосуванні Способу, що враховує потужність порід міжпластя по нормалі М та фактору часу Тг і на підставі шахтних експериментів, які враховують інтенсивність газовиділення з викидонебезпечних пластів, над- підроблених захисними, обґрунтувати величину мінімального випередження.

6. Розробити методику і виконати промислові випробування параметрів Способу, що скоректувалися.

Об'єкт досліджень – викидонебезпечний пласт, що під- і надробляється, міжпластя.

Предмет досліджень – процеси, що відбуваються в часі в породах міжпластя при розвантаженні.

Методи досліджень. Для досягнення поставленої мети в роботі використаний наступний комплекс методів: аналіз і узагальнення досвіду випереджаючої відробки захисних пластів; дослідження особливостей деформування і руйнування осадочних порід при розвантаженні лабораторні і шахтні експерименти, що доводять руйнування осадочного масиву від розвантаження в часі, і зіставлення їх з даними практики моделювання на оптично чутливих матеріалах ультразвукові виміри статистична обробка експериментальних даних промисловий експеримент.

Основні наукові положення, що захищаються в дисертації і їх новизна.

1. Теоретично і експериментально обґрунтована раніше невідома властивість напружених гірничих порід при розвантаженні виявляти деформації генетичного повернення, що зростають при збільшенні вологості, зумовлені маючими місце природними деформаціями повзучості, фізико-хімічними перетвореннями і що є відбитком пам'яті формування родовища. Воно є основою процесів, що відбуваються в породах міжпластя, що призводять до усунення викидонебезпечності і включає, в тому числі, структурну модель породи, основними новими положеннями якої є вхідне існування навантаження і включення в число елементів пружно-в’язкого тіла води, що міститься як в порах розмірами 10-7м, так і розмірами 10-7м, що володіють принципово різноманітними властивостями.

2. При обґрунтуванні параметрів захисних пластів вперше розкритий механізм зародження пам'яті гірничих порід, що полягається в ступеневому зростанні лінійних розмірів розвантажених зразків, відповідно етапам навантаження триосного нерівнокомпонентного стиснення по схемі Кармана. Час початку інтенсифікації зростання зразків відповідав часу збільшення навантажень і підтверджував природну схильність до деформацій генетичного повернення, що сприяє усуненню викидонебезпечності при різноманітних для кожної категорії порід величинах відносних деформацій (0,2% - 11,3%).

3. Збільшення глибини розробки (нижче зони газового вивітрювання) сприяє збільшенню зон захисту, в яких інтенсифікуються деформації генетичного повернення, а їх утворення не залежить від різновиду розвантаження: над- або підробки. Це положення є наслідком експериментально встановленого явища, яке характеризується тим, що деформації зворотної повзучості після розвантаження зразків гірничих порід, які не володіли генетичною пам'яттю і що знаходилися тривалий час в стані триосного нерівнокомпонентного стиснення, тим більше, ніж значніше компоненти стиснення. Цей результат практично конкретизувало моделювання на оптичних чутливих матеріалах залежності площ, на яких концентруються напруження на кінцевих дільницях лав, від збільшення глибини розробки (100–1200 м), що дозволило встановити зростання названих площ приблизно в 10 разів.

4. Встановлені умови усунення викидонебезпечності пласту за рахунок зміни структури порового простору вуглепорідного масиву, що зумовлені деформаціями генетичного повернення, які призводять до зменшення фізично зв'язаної вологості майже на 50%. При цьому змінюється співвідношення обсягу пор, наведених розмірами менш 10-7 м, з яких випаровування розчинів неможливо, і рівному або більшому 10-7 м, з яких природна вода і газ випаровуються. Саме цей процес і зумовлює при розвантаженні придбання практично непроникненим вуглепорідним масивом нової властивості – схильності до газовіддачи, що призводить з часом до необхідної і достатньої для усунення викидів дегазації.

5. Теоретично визначено та експериментально доведено, що параметри зон ефективного захисту залежать як від потужності порід міжпластя, так і фактора часу. Вони відбивають розвиток деформацій генетичного повернення після розвантаження і приводять у часі при М?80м не до збільшення проникності породного масиву, а до реалізації схильності до газовіддачі викидонебезпечніх пластів - дегазації, що забезпечує достатність для усунення викидонебезпечності.

Обгрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій доведені: значним обсягом експериментальних даних, отриманих при іспитах зразків (біля 1000) осадочних гірничих порід достатнім обсягом вимірів деформацій розтягу (біля 600) експериментальним обґрунтуванням надійності (точності) вимірів змін структури порового простору (10-3г) дипломом на відкриття; позитивними результатами промислових іспитів.

Наукове значення роботи полягає в розкритті на принципово новій науковій основі природних особливостей і закономірностей деформування осадочного під- надробленого масиву в часі, що враховують історію формування родовища (“пам'ять”) і дозволяють відвертати викиди вугілля і газу.

Практичне значення роботи полягає в тому, що на основі встановлених природних особливостей і закономірностей деформування і руйнування осадочного масиву міжпластя при розвантаженні розроблені і пройшли промислову перевірку в умовах шахти “Вуглегірська” ДП “Орджонікідзевугілля” нові параметри Способу.

Реалізація результатів роботи. Отримані в роботі параметри Способу рекомендовані Центральній комісії по боротьбі з газодинамічними явищами Міністерства палива та енергетики України для включення в “Інструкцію по безпечному веденню гірничих робіт у виробках, що проводяться у вугільних пластах (пісковику) схильних до газодинамічних явищ” – галузевий стандарт України, що в нинішній час розробляється (Постанова Кабінету Міністрів України №39 від 06.07.2002 р.).

Основні положення роботи використовуються в навчальному процесі при читанні в ДонНТУ і Красноармійській філії ДонНТУ лекцій студентам гірничих спеціальностей по курсам “Проблеми безпечної розробки викидонебезпечних пластів” і “Охорона праці в галузі”.

Особистий внесок здобувача полягає: в обґрунтуванні актуальності, мети і задач дослідження, розробці загальної методологічної схеми їх рішення в розробці методик аналітичних, лабораторних і гірничо-експериментальних робіт, спрямованих на розкриття природних закономірностей і залежностей виникнення і розвитку деформацій генетичного повернення, що зумовлюють особливості руйнування осадочного масиву, що вміщує виробки в обґрунтуванні технічних рішень підвищення рівня безпеки і техніко-економічної доцільності відробки викидонебезпечних пластів. Впровадження результатів дисертації в практику здійснювалося при безпосередній участі автора.

Апробація роботи. Основні положення роботи в цілому і окремі її етапи обговорювалися і отримали схвалення на науково-методичному семінарі “Практичне значення вивчення закономірностей розвитку деформацій зворотної повзучості гірничих порід” (ДонДТУ, Донецьк, 2000), VII, IX, X, XI Міжнародній науковій школі “Деформування і руйнування матеріалів з дефектами і динамічні явища в гірничих породах і виробках” (Сімферополь, 1998, 1999, 2000, 2001), V науково-практичній конференції “Вдосконалення технології видобутку вугілля в глибоких шахтах” (ДонДТУ, Донецьк, 1999), IV Міжнародній конференції Geotechnika-99 (Острава, Чехія, 1999), IV Міжнародній школі Szkola Geomechaniki (Глівіце-Устронь, Польща, 1999), другій міжнародній науково-практичній конференції “Метан вугільних шахт України” (Дніпропетровськ, 2001), науково-практичній конференції “Донбас- 2020: Наука i технiка - виробництву” (Донецьк, 2002), засіданнях Центральної комісії по боротьбі з газодинамічними явищами Мінтопенерго України (Донецьк, 2000, 2001, 2002, 2004), науково-практичному семінарі “Нові підходи до вивчення властивостей гірничих порід” (Санкт-Петербург, 2003).

Публікації. Основні наукові і практичні результати опубліковані в 39 наукових роботах, в тому числі одній монографії, 25 наукових публікацій у виданнях, рекомендованих ВАК України, п’яти патентах на винаходи України, дипломі на відкриття.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 6 розділів, висновків, містить 81 рисунок, 23 таблиці, бібліографічний список з 188 найменувань та 4 додатки. Вона викладена на 263 сторінках машинописного тексту.

Автор висловлює глибоку вдячність науковому консультанту Лауреату Державної премії України, доктору технічних наук, професору В. І. Ніколіну за постійну увагу і цінні поради при виконанні дисертації.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, викладені основні наукові і практичні результати, що отримані, інформація про апробацію роботи, а також основні положення, що виносяться на захист.

В першому розділі виконаний аналіз стану рішення проблеми. Досвід розробки викидонебезпечних пластів показує, що першочергова відробка захисних пластів є найбільш надійним і високоефективним способом запобігання раптових викидів вугілля і газу. Локальні заходи, що застосовуються в нинішній час для попередження викидів надто трудомісткі і не завжди ефективні, вимагають дотримання особливих режимів роботи підприємства. При відробці захисних пластів покращуються умови підтримання гірничих виробок в розвантажених зонах, знижується не тільки трудомісткість робіт по виконанню локальних заходів (на викидонебезпечних пластах), але і витрати, пов'язані з поповненням збитків, що завдаються викидами і ліквідацією їхніх наслідків.

Починаючи з 1950 р. під керівництвом ВНІМІ (проф. І. М. Петухов, проф. А.М. Ліньков, І.А. Фельдман, В.С. Сидоров та ін.) почала розроблятися теорія захисних пластів – проблема регіонального управління проявами гірничого тиску шляхом використання захисних пластів.

На першому етапі (1951-1958 рр.) МакНДІ (проф. І.В. Бобров та ін.), ВНІМІ проводилися інструментальні спостереження за проявами гірничого тиску при над - або підробці пластів вугілля на шахтах Донбасу. В цей період були встановлені положення про залежність розмірів зон розвантаження від ширини виробленого простору, можливості вичерпання захисної дії пластів в часі і розроблено положення про те, що захисна дія є результатом зменшення напруженості масиву гірничих порід.

На другому етапі (1959-1965 рр.) МакНДІ, ВНІМІ, ДПІ проводилися спостереження за проявами гірничого тиску при розробці світи пластів. В результаті проведених спостережень був встановлений характер залежності розмірів і положення зон розвантаження, розроблені способи розрахунку границь захисної дії пластів і основні схеми використання захисних пластів, що дозволять встановити порядок відробки їх в світах.

На третьому етапі (1966-1970 рр.) тривали дослідження прояв гірничого тиску на шахтах Донбасу, Кузбасу і Карагандинського басейну. Були встановлені закономірності розвитку і загасання деформацій в масиві гірничих порід, що виникають в результаті розвантаження. На цьому етапі були розроблені засоби розрахунку напружень.

Результати виконаних робіт були покладені в основу створення нормативних документів по безпечному веденню гірничих робіт на викидонебезпечних пластах (“Інструкції…”, що є додатками до Правил безпеки), що і зараз використовуються у вугільній промисловості України.

Огляд загальноприйнятих принципів використання теорії захисних пластів і робіт, що публікувалися, нормативних документів дозволив зробити висновок про те, що ефект першочергової відробки захисних пластів раніше як процес, що відбувається в часі, вивчався недостатньо. В якомусь неявному вигляді фактор часу був присутній в параметрі випередження. Але визначався він по геометричним міркуванням, що відбивали реальність зміни напружено-деформованого стану. При цьому, по-перше, цілком упускалося положення про те, що перерозподіл напружень при розвантаженні (пружне) може відбутися миттєво, але так же миттєво дегазація під- або надробленої ділянки шахтопласта відбутися не може. По-друге, окремі виміри деформацій, навіть за допомогою глибинних реперів, носили ілюстративний, а не доказовий характер. Були відсутні критеріальні оцінки величини деформацій, їхнього фізичного зв'язку з проявами викидонебезпечності. По-третє, викликала деякий неспокій можливість технологічних ускладнень при розробці зближених пластів із-за чого з'явилася додаткова вимога про необхідність погодження підробки викидонебезпечних пластів захисними при міжпласті М5м. Величина мінімального допустимого випередження при під- і надробці склала відповідно h1 и h2, але не менше 20м. Те ж саме мінімальне випередження в нормативних документах збереглося і після зменшення випередження з L2М до LМ.

Обґрунтування багатьох існуючих нормативних положень базувалося на результатах моделювання на еквівалентних матеріалах, отриманих у ВНІМІ, ДонВУГІ і ДПІ (проф. Г.М. Кузнецов, проф. В.Т. Давидянц, М.М. Зоря). Тоді було встановлено, що обвалення порід покрівлі пласта при підробці відбувається на величину рівну чотирьох-п'ятикратної потужності пластів, що розробляються. Водночас з цим було очевидно, що породи міжпластя при надробці не обвалюються, хоча не менше очевидно було і те, що розвантажуються і стимулюють виникнення і розвиток деформацій зворотної повзучості.

До вивчення зворотної повзучості гірничих порід приступили в 30-х роках XX сторіччя (Д. Григгс, К. Штокке, Г.М. Кузнецов). В 40-х роках П.В. Бриджмен випадково виявив руйнування зразків гірничих порід при розвантаженні. Пізніше таке ж руйнування в лабораторних умовах (при дослідженні деформування зразків в стані триосного стиснення) виявили Г.Д. Бузер, К.Х. Хиллер і С. Серденгекті.

Наприкінці 60-х років була сформульована гіпотеза механізму викиду породи і газу, заснована на затвердженні можливості руйнування частини породного масиву, що вміщує виробку, від розвантаження (проф. В.І. Ніколін). Було доведено, що в момент відторгнення частини напруженого породного масиву породи “нових грудей вибою” опиняються в умовах, коли стають можливими деформації розтягу в напрямку вже пройденої виробки.

У 70-ті роки явище зворотної повзучості вивчалося академіком Ж.С. Єржановим, що вперше сформулював практичну корисність отриманих результатів для “обґрунтування і предрозрахунку явищ, зумовлених надробками і підробками породної товщі при виїмці вугільних пластів, а також взаємним впливом очисних і підготовчих виробок”.

І тільки у 90-ті роки XX століття були отримані перші експериментальні результати (акад. В.Є. Забігайло, проф. В.І. Ніколін), що відрізнялися від існуючих раніше уявлень про природу процесів, що приводять при першочерговій відробці захисних пластів до усунення викидонебезпечності. Тоді було встановлено, що усунення викидонебезпечності є результатом деформацій зворотної повзучості породного масиву, напруженість якого істотно зменшується в результаті першочергової відробки захисних пластів.

Відзначене стало підставою порушення проблеми подальшого розвитку теорії захисних пластів на основі встановлених природних закономірностей деформацій генетичного повернення. Базуються вони на двох групах фундаментальних по своїй фізичній суттєвості фактів: по-перше, на руйнуванні зразків при розвантаженні по-друге, на схильності великої групи тривалий час навантажених матеріалів до деформацій зворотної повзучості (повернення) при розвантаженні. Однак називати зворотною повзучістю природні (комплексні) деформації, що враховують вплив фізико-хімічних перетворень, принципово невірно, і тому, враховуючи їх “походження” (генезис), найбільш правильним по суті визначається прийнятий нами в роботі термін “деформації генетичного повернення” (ДГП).

Виконаний в розділі огляд – аналіз дозволив сформулювати мету роботи та шість задач, рішення яких забезпечать досягнення мети. Вони викладені в загальній характеристиці роботи.

В другому розділі виконано дослідження особливостей деформування масиву осадочних гірничих порід в часі, які приводять до усунення викидонебезпечності. Воно, як і в інших матеріалах, що старіють, характеризується спадкоємністю – залежністю деформацій, що спостерігаються, від всієї попередньої історії навантаження. Поступове збільшення глибини залягання, що призводить до зростання напруженості масиву, його ущільнення, фізико-хімічні перетворення органічного матеріалу в умовах триосного стиснення, порівняно високих температур і наявність інверсійних процесів, в результаті яких гірничий масив виявився на сучасній глибині, в сукупності визначили природу його формування. Всі деформації, що зазнавала порода на протязі свого геологічного життя, повинні знайти відбивання у властивостях гірничих порід при розвантаженні. Ще в 1890р. Кельвін з термодинамічних міркувань уклав, що “ніяких змін обсягу або форми не може бути отримано ні в якому вигляді матерії без дисипації енергії”. По відношенню до вуглепорідного масиву цілком можна вважати дисипацію енергії, що сприяла і фізико-хімічним перетворенням органічних речовин (ОР), дрібно розсіяної органіки (ДОР). Деформації генетичного повернення виникають після розвантаження і, отже, утворення порожнини (виїмки) є початком цих деформацій.

Починаючи з 1867р. дослідниками запропонований ряд різноманітних схем (моделей) поведінки матеріалу за часом. Основні експериментальні факти, що покладені в основу раніше розроблених моделей наступні: при постійному в часі напруженні деформація тіла не залишається постійною, а монотонно зростає (з бігом часу) напруження при постійній деформації монотонно убуває із зростанням часу. Виходячи з цього жодна з існуючих моделей не відбиває можливість (реальність) деформацій генетичного повернення, що, як і деформації зворотної повзучості, виникають після розвантаження і розвиваються по експоненті. В загальному вигляді таку експоненту можна уявити як

де С – максимально можливі деформації генетичного повернення при t>?, м

М – потужність порід міжпластя, м

– коефіцієнт динамічної в’язкості

t – час, що пройшов після розвантаження масиву, діб.

Принципова відзнака структурної моделі, що пропонується, від всіх існуючих на сьогоднішній день полягає в тому, що початкове положення, яке вона повинна відображати, – це напружений вуглепорідний масив, що формувався на протязі мільйонів років в стані триосного стиснення, що супроводжувалось фізико-хімічними перетвореннями (рис.1). Всі моделі раніше починалися з прикладення сил (Р) до тіла, що до цього було не навантаженим, що для сучасного осадочного масиву протиістотно.

Наступна особливість моделі, що пропонується полягає в тому, що зміна стану тіла відбувається тому, що тіло розвантажене, напруження стиснення зняті. Тільки якщо немає пружного елементу, обов'язково виникнення і розвиток деформацій генетичного повернення. Жодна з існуючих моделей не відбивала можливість (реальність) таких деформацій. По формальним признакам процес “в’язкого” деформування при навантаженні цілком задовільно описується моделлю Кельвіна, але з деякими роз'ясненнями суттєвості розвитку деформацій. Виникнення і розвиток деформацій генетичного повернення відбувається слідом за розвантаженням по експоненті. Воно (виникнення) по часу повинно відповідати закінченню дії пружини, а досягнення кінцевого значення – вичерпанню запасів енергії генетичного повернення при часі розвитку . Модель цей розвиток відбиває, так як поршню після досягнення кінцевого значення вертатися не буде необхідності. Деформації генетичного повернення по фізичній суттєвості цілком ідентичні усуненню пружини і наступній за ним в’язкій течії. Тому вони і включені в структурну модель, що збільшує усунення навантаження послідовно (I і II на рис. 1).

Структурна модель гірничих порід нижче зони газового вивітрювання комплексна, що відбиває не властивості породи, а породного масиву, що знаходиться в стані триосного стиснення і складається з наступних складників: I – до початку розробки вугільного пласта II – в період ведення в ньому гірничих робіт, коли неминуче виникнення як зон підвищеного гірничого тиску (ЗПГТ), відповідного I, так і пониженого гірничого тиску, відповідного II. Основними вихідними науковими положеннями розробленої моделі є не прикладення навантаження, а її вихідне існування і включення в число структурних елементів пружно-в’язкого тіла води, що міститься в порах розмірами 10-7 м і 10-7 м, що володіють принципово різноманітними властивостями.

При дослідженні зміни об’єму твердого тіла, що знаходиться тривалий час в стані триосного стиснення, аналітично вирішена задача з використанням методів А. Надаї та І.І. Гольденблата. З тіла трьома площинами xy, xz, zx і четвертою площиною, нахиленою до координатних площин, виділений невеликий тетраедр. Напруження S в похилій грані цього тетраедра розклали на нормальну і дотичну складові і . В тілі виділили точку А і при дії триосного напруження, що стискає, вона з початкового положення з координатами x, y, z перемістилася в нове положення з координатами А?(x, y, z). Складові об'ємного стиснення як функції координат x, y, z і часу визначили по виразам , , , а величини деформацій по головним осям

Для того щоб визначити відносну зміну об’єму твердого тіла після розвантаження, виділили в ньому дві точки. Координати цих точок після стиснення (до розвантаження) позначили через а1, а2, а3, а після розвантаження через х1, х2, х3. Позначив через dVa об’єм твердого тіла до розвантаження, а через dVx – після розвантаження, його зміну (з урахуванням складових тензора кінцевих деформацій і формули Мурнагана) визначили за виразом

= 0,074,

що відповідало збільшенню об’єму в 0,074 рази.

Проведені дослідження зміни об’єму твердого тіла після розвантаження дозволили оцінити повноту деформацій генетичного повернення по відношенню до вихідного напруженого стану вуглепорідного масиву. Названі деформації на декілька порядків переважають пружні і сприяють збільшенню об’єму зразків гірничих порід.

В третьому розділі виконано дослідження особливостей експериментального визначення схильності порід міжпластя до деформацій генетичного повернення. Необхідність розробки трьох таких методик, захищених патентами України, зумовлюється новизною проблеми, розкриттям невідомої раніше властивості осадових гірничих порід і виявленого при проведенні дослідів своєрідності його проявів.

Досліди по вивченню схильності гірничих порід до деформацій генетичного повернення були виконані на зразках осадочних порід шахти ім. Гайового, “Вуглегірська” та ім. К. Маркса ДП “Орджонікідзевугілля”, ім. Челюскінців ДП “Донецьквугілля”. Ґрунтувались вони на використанні результатів досліджень природи деформацій генетичного повернення і результатах виконаного раніше проф. Харіним С.Є. вивчення в Київському державному університеті явища, що виникає при пересуванні рідини, що змочує, по капілярам різноманітних розмірів (діаметрів). Їм було доведено, що поправка до закону Дарсі стає помітною при діаметрах капілярів 10-5–10-6 м. В капілярах діаметром 10-710-8 м поправочний множник наближається до нуля. Це означає, що по таким капілярам, при наявності електрокінетичного потенціалу, флюїд протікати не буде, під яким би тиском він не знаходився.

Експерименти проводилися по наступній методиці. В шахті відбирали значне число зразків. Зразки розподіляли в лабораторії по групах (по 7–8 зразків в кожній групі) і містили їх там на протязі не менше 260 діб при нормальному атмосферному тиску і кімнатній температурі. По кожній групі зразків щодня (на протязі не менше 5 діб) вимірювали зменшення їхньої маси до стабілізації. Після цього у відповідності зі стандартною методикою (ДГСТ 11014–81) зразки поміщали в сушильну шафу і при t=105–110С висушували протягом однієї години. Після зважування висушених зразків встановлювали їх фізично зв'язану (природну) вологість ф.с.. Повну або максимальну вологоємкість (п) визначали після насичення (протягом 10 діб) експериментальних зразків водою. Дослід повторювали по іншим групам зразків через 40, 150, 225, 260 діб.

Основний сенс експериментів полягав в оцінці динаміки зменшення природної вологості, приросту вологості зразків після висушування і впливу на названі процеси як деформацій генетичного повернення, також і взаємозв'язок останніх зі змінами вологості. Всі зважування вироблялися на спеціальних електронних вагах (тип ВЛР-200г ДГСТ 24104-80) з точністю до третього після одиниці знаку, встановленого після виконання спеціального дослідження.

При вивченні розвитку деформацій генетичного повернення, зміну вологості порід розглядали не тільки як їх фізичну характеристику, але і як критерій збільшення об’єму порового простору, перерозподілу співвідношення об’ємів пор розмірами і 10-7 м.

З отриманих результатів цілком очевидно слідує, що розвиток деформацій генетичного повернення зразків, що витягнуті з масиву, супроводжується зміною структури порового простору. В перші декілька діб в лабораторних умовах з проб порід відбувається випаровування води з пор розмірами 10-7 м (наприклад, табл. 1). В подальшому із-за розвитку деформацій процес випаровування ускладнюється – стає менш однорідним – більш імпульсивним. Відбувається зростання числа пор розміром 10-7 м з числа тих, що раніше були 10-7 м і з яких випаровування води було неможливим. Через 7–10 діб процес розвитку деформацій в часі стабілізується, стає більш однорідним, але все ж такі імпульсивним, а процес випаровування води – зміни структури порового простору, стабілізується.

Таблиця 1

Зміна маси зразків піщанистого сланцю шахти ім. Гайового за часом

№ зразку | Зміна маси зразків в часі, г

13.07.2001 г.

m1 | 16.07.2001 г.

m2 | 18.07.2001 г.

m3 | 20.07.2001 г.

m4

1 | 23,428 | 23,392 | 23,339 | 23,291

2 | 18,078 | 18,052 | 17,820 | 17,801

3 | 15,325 | 15,322 | 15,246 | 15,184

4 | 12,719 | 12,704 | 12,641 | 12,521

5 | 13,642 | 13,620 | 13,619 | 13,601

6 | 11,823 | 11,801 | 11,745 | 11,598

7 | 17,084 | 17,058 | 17,037 | 16,946

8 | 14,404 | 14,341 | 14,248 | 14,208

Аналіз отриманих даних досліджень порід (табл. 2) показав, що за приблизно 220 діб фізично зв'язана вологість зменшилася на 40%, а повна вологоємкість збільшилася на 27%.

Таблиця 2

Результати вимірів повної і фізично зв'язаної вологості піщанистого сланцю шахти ім. Гайового

Показник | Час, що пройшов після відбору проби, діб

10–20 | 40–50 | 225–235

Максимальне вологонасичення п, % | 1,01 | 1,29 | 1,28

Фізично зв'язана вологість ф.с, % | 0,80 | 0,68 | 0,48

Викладання результатів експерименту (табл.3) характеризує реальність процесу “придбання” вологи з атмосфери висушеними зразками, а після цього її випаровування в результаті зміни структури порового простору із-за розвитку деформацій генетичного повернення.

Встановлена закономірність випаровування води із зразків пористих гірничих порід і “придбання” вологи висушеними зразками цих же порід з атмосфери, доводить спільність природи названих явищ, в основі яких виникнення електрокінетичних потенціалів при переміщенні рідин по капілярам розмірами менш 10-7 м. Перерозподіл співвідношень об’єму пор розмірами і 10-7 м в зразках гірничих порід супроводжується зміною їх міцністних характеристик.

Таблиця 3

Приріст і зниження маси зразків глинистого сланцю

шахти ім. Челюскінцев

№ зразку | Маса після висушування, г | Збільшення маси після 7 діб,

г. 10-3 | Зменшення маси на десяту добу,

г. 10-3

1 | 82,542 | 574–542=032 | 574–564 = –010

2 | 79,004 | 1,004–948=056 | 948–937 = –011

3 | 74,305 | 472–305=167 | 472–460 = –012

4 | 76,537 | 553–537=016 | 553–543 = –010

5 | 92,473 | 579–473=106 | 579–565 = –014

Середні | +075– | 011

Для підтвердження останнього положення експериментальні зразки (по 8 зразків в кожній серії іспитів) піддавалися на діаметральне стиснення на пресі ГМС–50 для визначення межі міцності на розтяг. Досліди повторювалися через 46, 50, 156 і 225 діб.

На рис. 2 наведені залежності зміни величин максимального вологонасичення (), фізично зв'язаної вологості () і межі міцності на розтяг () від часу.

Встановлені залежності підтверджують зміну структури порового простору і перерозподіл співвідношення об’єму пор розмірами і 10-7 м в зразках, що досліджуються, доводячи завдяки цьому як реальність розвитку деформацій генетичного повернення, так і їх наукову і практичну значимість реалізації практично непроникливим вуглепорідним масивом нової властивості – схильності до газовіддачі.

Принципових методичних вимог до визначення схильності порід до ДГП два: – відбір проб порід в шахті повинен вироблятися за межами розвантажуючого впливу гірничих порід (колонкове буріння) – вимір деформацій слідує виконувати при вологості зразків порід, відповідної природної (попереднє парафінування).

В четвертому розділі описані результати експериментального вивчення деформацій зворотної повзучості, генетичного повернення, сприяючих усуненню викидонебезпечності. Дослідження проводилися в декілька етапів. На першому етапі були виконані досліди на зразках, виготовлених з матеріалів, що не володіють генетичною пам'яттю. Вони навантажувалися, тривалий час знаходились в стані триосного нерівнокомпонентного стиснення, що супроводжувалось деформаціями повзучості, після цього розвантажувалися і вимірювалися деформації зворотної повзучості. Виконати аналогічні експерименти на зразках, виготовлених з проб гірничих порід, відібраних на сучасних великих глибинах, методично некоректно по сугубо природній особливості не пружного деформування і наявності у останніх генетичної пам'яті. Виходячи з цих міркувань для лабораторних досліджень використовувались зразки кубічної форми розмірами 55х55х55 мм з піщано-цементної суміші і гіпсу.

Ці зразки не слід відносити до штучних тому що виготовлені вони з гірничих порід, але таких, існуванням в яких “пам'яті” цілком можна зневажити. На таких зразках вивчався розвиток деформацій зворотної повзучості після розвантаження. Зразки встановлювались на спеціальному стенді і за допомогою індикаторів годинного типу ИЧ10МН, з ціною ділення 0,01 мм вимірювали деформації (ДГСТ 2192-92), що підтвердило правильність аналітичних рішень, наведених в другому розділі.

Виконані експерименти на зразках з піщано-цементної суміші і гіпсу довели реальність деформацій зворотної повзучості. Було встановлено, що ці деформації тим більше, ніж значніше непружні деформації при триосному стисненні, тобто деформації повзучості при навантаженні. Тільки наявність певного об’єму непружних деформацій, що сформувалися при триосному стисненні, визначає об’єм деформацій зворотної повзучості.

Прагнення зримо уявити – довести вірогідність останнього затвердження визначає зміст рис. 3. На ньому показано рентгенівський знімок зразка з гіпсу з кусочками свинцю (білі крапки) до навантаження (а), після зняття напружень триосного нерівнокомпонентного стиснення, що тривало 14 діб (б), і через 14 діб після зняття напружень (в).

При триосному нерівнокомпонентному стисненні відстань між точками з 49 мм зменшилася до 41 мм, а після цього після розвантаження, зросла до 48 мм. Ці зміни цілком можуть розглядатися як встановлення реальності деформацій зворотної повзучості породи, що не знаходилась раніше в осадочному масиві, тобто що не володіє генетичною пам'яттю.

Наступним етапом експериментальних досліджень було вивчення

особливостей розвитку названих деформацій після розвантаження. Зразки знаходились протягом 500 годин в стані триосного нерівнокомпонентного стиснення і навантажувалися по схемі Кармана на установці ДонФТІ ступенево: I – , II – через 160 годин , III – через 110 годин , . Особливості розвитку деформацій зворотної повзучості в часі (t) полягали в наступному.

Цілком очевидно, що слідом за деформаціями пружного відновлення відбуваються деформації зворотної повзучості. В інтервалі годин вони протікали найбільш інтенсивно, а після цього стабілізувалися. Інтенсифікація їх зростання відзначена через 40, 190 і 305 годин після розвантаження зразків. Слід зазначити, що якщо зіставити періоди навантаження зразків за часом, то під час розвантаження деформації зворотної повзучості інтенсифікуються через інтервал часу, що відповідає tв=35-40 годинам, тобто час початку інтенсифікації відповідає часу збільшення навантажень, з відставанням, рівним tв. Така встановлена властивість деформування зразків після розвантаження пояснюється властивістю “пам'яті” гірничих порід про попередній механічній вплив (ступінь навантаження).

При вимірі деформацій зворотної повзучості зразків водночас реєструвалася зміна проходження через них ультразвукових хвиль. Встановлено, що в перші 40–80 годин після розвантаження, коли деформації зворотної повзучості ще менш точності вимірів деформометрами, швидкість проходження ультразвукових хвиль частотою 25 кГц зменшувалася з V= 2100м/с до V=1400м/с.

Подальше зменшення швидкості проходження ультразвукових хвиль через зразки (до V=810м/с через 360 годин) свідчить про зростання деформацій зворотної повзучості і наявність своєрідного ефекту “розпушування” в часі після розвантаження. З позицій