МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧІЙ УНІВЕРСИТЕТ

КОЧИН ОЛЕКСАНДР ЄВГЕНОВИЧ

УДК 622.273

ПРОГНОЗУВАННЯ ГЕОМЕХАНІЧНИХ УМОВ ВІДРОБКИ ПОХИЛИХ ВУГІЛЬНИХ ПЛАСТІВ НА ОСНОВІ РЕЛЬЄФУ ЇХ ЗАЛЯГАННЯ

05.15.11 – “Фізичні процеси гірничого виробництва”

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеню

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі гірничої геомеханіки Донецького національного технічного університету.

Науковий керівник: Пілюгин Віталій Іванович, к.т.н., доцент кафедри гірничої геомеханіки Донецького національного технічного університету Міністерства освіти та науки України, м. Донецьк

Офіційний опоненти: Морозов Олександр Федорович, д.т.н., професор, завідувач відділом фізики дезінтеграційних явищ фізико-технічного інституту ім. О.О. Галкіна НАН України, м. Донецьк

Дичковський Роман Омелянович, к.т.н., доц., доцент кафедри підземної розробки родовищ Національного гірничого університету Міністерства освіти та науки України, м. Дніпропетровськ

Провідна установа: Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України, м. Дніпропетровськ

Захист дисертації відбудеться “25” березня 2005р. у 1230 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д. 08.080.03 при Національному гірничому університеті, Міністерства освіти та науки України за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, .

З дисертацією можливо ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти та науки України за адресою: 49027, Україна м. Дніпропетровськ, пр-т. К. Маркса, .

Автореферат розісланий “ 21 ” лютого 2005р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д. 08.080.03

кандидат технічних наук, доцент Тимощук В.І.

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Підвищення ефективності та безпеки видобутку вугілля на шахтах Донбасу вимагає вдосконалення методів прогнозування геомеханічних умов відробки похилих вугільних пластів на глибинах, більших за 1000 м. Одним із головних факторів, що визначає вихідний напружено–деформований стан пласта та вміщуючих порід, є плікативна порушеність (складчатість), характерна для більшості шахтних полів Донбасу.

Аналіз технологічної та геолого-маркшейдерської документації діючих шахт показує, що в ній недостатньою мірою врахована складчастість пластів, які відроблюються. Гіпсометричні плани рельєфу залягання вугільних пластів вибудовуються за даними розвідувального буріння, яке здійснюється за надто рідкою сіткою. До того ж, через викривлення свердловин, невідворотні досить значні помилки у визначенні координат точок підсічки вугільного пласта. Тому гіпсометричні плани незадовільно відбивають особливості залягання та складчастості вугільних пластів, що розробляються. У свою чергу, це призводить до погрішностей при укладанні планів гірничих робіт, при розробці паспортів виконання підготовчих та очисних робіт тощо.

У виконаних раніше дослідженнях вплив складчастості на умови відробки пластів було вивчено недостатньо. У публікаціях відбито лише окремі спроби пов’язати параметри зміни залягання вугільних пластів із їх викидонебезпечністю та наявністю диз’юнктивних (розривних) геологічних порушень. Крім того, не було досліджень щодо впливу складчастості на стійкість підготовчих та очисних виробок. Усе вищезазначене обумовлює необхідність створення нового маловитратного методу опису просторових залягань вугільних пластів, які визначають геомеханічні умови їх відробки.

Зв’язок теми дисертації з планами науково-прикладних робіт університету.

Прогнозування технологічних і геомеханічних умов відробки похилих (пологих) вугільних пластів Донецького басейну становить один із найважливіших наукових напрямків кафедри гірничої геомеханіки ДонНТУ. Дисертацію виконано згідно з аспірантським планом та в межах держбюджетної теми Д-12-03 “Розробка системи геомеханічного прогнозування умов відробки похилих (пологих) вугільних пластів на великих глибинах” (номер держреєстрації 0103U001731).

Метою роботи є обгрунтування методу опису просторового залягання та прогнозування вихідних геомеханічних умов відробки похилих угільних пластів.

Завдання досліджень. Поставлена мета зумовила необхідність розв’язання наступних задач:

1. Розробити метод опису складчастості відроблюваних похилих вугільних пластів, який дозволив би визначати їх кривину.

2. Обгрунтувати критерій оцінки складності рельєфу залягання пласта, який дозволив би спрогнозувати умови його відробки у межах певної частини або шахтного поля в цілому.

3. Установити особливості впливу кривини рельєфу залягання складчастих вугільних пластів на геомеханічні умови їх відробки.

4. Розробити пакет прикладних програм для визначення параметрів рельєфу залягання похилих пластів, його візуалізації та рекомендацій щодо прогнозування геомеханічних умов їх відробки.

Об’єкт дослідження — прояви гірського тиску в очисних та підготовчих виробках похилих вугільних пластів.

Предмет дослідження —кривини рельєфу залягання вугільних пластів, що визначають геомеханічні умови їх відробки.

Метод дослідження – комплексний, що містить у собі: аналіз виконаних досліджень; апроксимацію поверхні рельєфу вугільного пласта у вигляді функції двох змінних із використанням ступеневих поліномів та ортогональних поліномів Чебишева; оптимізацію ступеня поліномів, що використовуються, за критерієм мінімальної сумарної наведеної помилки; визначення параметрів, що апроксимують рельєф поверхні чисельним методом Ньютона; шахтні інструментальні спостереження за зсуванням кріплень підготовчих виробок; статистичний аналіз відносної площі обвалень порід покрівлі в очисних вибоях; а також дослідно-промислову перевірку розроблених технологічних рішень.

Основні наукові положення, що захищаються.

1. Плікативний рельєф залягання вугільних пластів адекватно описується ортогональними поліномами Чебишева з існуванням оптимального ступеня апроксимуючої функції, що є кількісним відображенням напружень у непорушеному гірничими роботами масиві.

2. Критерій визначення складності рельєфу залягання вугільних пластів є геометричною сумою головних кривин у точці, що розглядається, його кількісна величина розмежовує площі за інтенсивністю газодинамічних явищ та корелює з конвергенцією контуру підготовчих виробок і відносною площею обвалень порід покрівлі в очисних вибоях.

Наукова новина отриманих результатів.

1. Здійснено розвиток методу опису складчастості залягання похилих вугільних пластів за допомогою ортогональних поліномів Чебишева, що полягає в додатковому врахуванні даних експлуатаційної розвідки залягання пластів та використанні нової процедури визначення оптимального ступеня апроксимуючих поліномів як функції двох зміних.

2. Уперше встановлено, що при апроксимації рельєфу залягання похилих вугільних пластів поліномами Чебишева з використанням даних геологічної та експлуатаційної розвідки існує певний оптимальний ступінь поліномів, здатний забезпечити мінімальну середню помилку опису рельєфу залягання. Оптимальний ступінь залежитть від складності рельєфу залягання пласта в умовах конкретної шахти.

3. Уперше встановлено, що рівень діючих у масиві тектонічних напружень залежить у першому наближенні від величини головних кривин рельєфу залягання вугільного пласта у точці, що розглядається.

4. Уперше в натурних умовах встановлений статистичний зв’язок між конвергенцією контуру підготовчих виробок, відносною площею вивалів порід покрівлі в очисних вибоях з величиною геометричної суми головних кривин рельєфу залягання пласта в точці, що розглядається.

Практичне значення роботи полягає в розробці методу та пакету прикладних програм з візуалізації рельєфу залягання похилих вугільних пластів та рекомендацій з прогнозування геомеханічних умов їх відробки.

Пакет прикладних програм з прогнозування рельєфу залягання пласта та методика прогнозування зсувів порід контуру пластових виробок використані при розробці паспортів відробки 11-ої західної лави пласта l1 та при проведенні її конвейерного штрека в умовах шахти ім. О.Ф.Засядько.

Особистий внесок здобувача полягає в обгрунтуванні використання кривини рельефу залягання пласта як нового критерія оцінки його складчастості, у розробці методу її визначення для конкретних умов та в розкритті особливостей її впливу на геомеханічні умови відробки.

Апробація роботи. Основні наукові та прикладні результати роботи було заслухано й обговорено на засіданнях технічних нарад шахт ім. О.Ф.Засядько, ім. В.М.Бажанова ДП “Макіївугілля”. Їх було ухвалено на міжнародних науково-практичних конференціях “Неделя горняка” (Москва, МГГУ, 2003) та “Машинобудування й техносфера на межі XXI століття” (Севастополь, 2003).

Публікації. Основні наукові та прикладні результати роботи опубліковані у 5-х статтях у спеціалізованих виданнях, затверджених ВАК України.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ дисертації присвячено аналізу раніше виконаних досліджень з питань опису рельєфу залягання складчастих вугільних пластів, кількісній оцінці їх плікативних порушень та впливу на геомеханічні та технологічні умови проведения гірничих робіт. Розв’язанню цих питань присвячені дослідження інститутів гірничого профілю: ВНІМИ, ДонВуГІ, УкрНДМІ, МДГУ (МГІ), ВНІГРІвугілля, НГУ (ДГІ), ДонНТУ (ДПІ), ІГТМ НАН України, ДонФТІ НАН України, КузПІ та ін. У наявних публікаціях установлено, що приблизно 70% загальної площі Донецького вугільного басейну характеризуються достатньо вираженою складчастістю вугільних пластів. Її формування є результатом складних коливних рухів вугленосної товщі, що відбувалися після періоду осадконакопичення. Із цього випливає, що складчастість можна розглядати як індикатор природних змін (аномалій) його вихідного напружено-деформованого стану. У зв’язку з цим, складчастість або плікативну порушеність вугільних пластів слід ураховувати під час прогнозування умов їх розробки на більших глибинах.

Для того щоб ураховувати складчастість під час розв’язання практичних задач гірничого виробництва, необхідно точно описувати та візуалізовувати рельєф залягання вугільного пласта в межах шахтного поля, яке розглядається, за наявними даними. Спроби розробки такого методу неодноразово здійснювались у 70-ті роки. Через обмежені можливості обчислювальної техніки того часу застосовувалися ступеневі поліноми 3-го та 4-го ступенів. Вихідними даними для побудови рельєфу слугували координати точок підсічки пласта розвідувальними свердловинами. У зв’язку з низьким ступенем поліномів, які використовувалися, та рідкою сіткою свердловин, такі моделі вельми неточно відбивали особливості рельєфу залягання вугільних пластів.

Значним прогресом в описі цих особливостей стали відомі сплайн-методи, сутність яких полягає у розбитті шахтного поля на окремі ділянки (зони) та в їх описі поліномами 3-го ступеня. У результаті можна отримати й візуалізувати гладку складену поверхню, що проходить через опорні точки. Сплайн-функції добре описують складчастість на відроблених ділянках пласта з відносно густою сіткою опорних точок, отриманих за даними маркшейдерських замірів. Під час переходу на невідроблені частини шахтного поля, де відстань між опорними точками як мінімум на порядок більша, виникають питання з приводу того, як правильно розбити їх на ділянки. До того ж, за будь-якого способу ділення, складчастість не відбивається, а наче “зрізається” на межі відробленої та невідробленої частин поля. Таким чином, аналіз виконаних досліджень доводить, що на наш час не існує простого й точного методу опису рельєфу залягання вугільних пластів, що розроблюються, який відбивав би їх складчастість.

Використання для опису об’ємної поверхні вугільних пластів гладких безперервних функцій дозволяє по-новому підійти до питань розробки критерія оцінки складності їх залягання як у конкретній точці (зоні), так і в межах усієї площі шахтного поля. Якщо функція рельєфу залягання подана через рівняння 3-го ступеня й вище, то її можна двічі диференціювати й знаходити головні кривини поверхні за головними осями. Вони функціонально пов’язані з додатковими напруженнями згину, який виникає у площині нашарування. Таким чином, можна запропонувати критерій, котрий одночасно б відбивав і геометрію рельєфу залягання складчастого вугільного пласта, і зміну його вихідного напружено-деформованого стану. Такі критерії до цього часу ще не відомі.

Практика ведення гірничих робіт на глибинах більших за 1000 м показує, що при відробці ділянок шахтних полів, які характеризуються змінами кута падіння, а також плікативною порушеністю вугільних пластів, суттєво знижується стійкість підготовчих виробок, збільшується площа обвалень порід покрівлі в очисних вибоях, більш частотними стають газодинамічні явища. Разом із тим, вплив складчастості на умови розробки не розкритий у раніше виконаних дослідженнях та практично не відбитий у галузевих нормативних документах, які регламентують правила проведення гірничих робіт. У літературі описані лише поодинокі спроби пов’язати зміни залягання пластів із місцерозташуванням дрібноамплітудних геологічних порушень та особливо викидонебезпечних ділянок.

З урахуванням цього були сформульовані мета, ідея роботи, а також завдання досліждень.

Другий розділ роботи присвячений розробці методу опису рельєфу залягання похилих (пологих) вугільних пластів із урахуванням їх складчастості. У математичному плані задача зведена до оптимального добору гладкої та безперервної у межах площі шахтного поля тривимірної функції , яка досить точно описує розташування у просторі сукупності опорних точок із відомими горизонтальними координатами x, y та вертикальними координатами z, що відбивають розташування вугільного пласта в масиві. Особливості задачі полягають у тому, що зміна координати z на порядок менша за зміну решти координат x та y, кількість опорних точок (n) досягає декількох сотень, максимальна помилка визначення відмітки z становить 2 м, відстань між опорними точками змінюється від десятків метрів на відроблених ділянках до кілометра та більше на невідроблених. Ураховуючи це, для опису рельєфу залягання використовувалися ступеневі поліноми та ортогональні поліноми Чебишева. За метод опису була застосована апроксимація.

У загальному вигляді рельєф залягання вугільного пласта описується таким виразом:

, (1)

де: — ступінь прийнятої системи ступеневих поліномів або ортогональних поліномів Чебишева та ; — постійні коефіцієнти полінома.

Визначення величини коефіцієнтів для умов конкретного шахтопласту виконується шляхом розв’язання системи рівнянь, яка б забезпечила мінімальні абсолютні відхилення апроксимуючої поверхні в опорних точках для даного ступеня поліномів:

. (2)

Головним завданням під час добору функції є визначення ступеня поліномів, які входять до неї. Якщо цей ступінь низький, то апроксимуюча поверхня істотно відхиляється від опорних точок та не відбиває складчастість розроблюваного пласта. У іншому випадку, коли ступінь полінома невиправдано високий, відбувається практично влучне потрапляння поверхні до опорних точок, але у проміжках між ними спостерігається суттєве відхилення (осциляція), яке не відповідає реальному розташуванню пласта. Таким чином, існує деякий оптимальний ступінь поліномів, за якого рельєф залягання складчастого шахтопласта відбивається найбільш точно.

Для визначення оптимального ступеня поліномів апроксимуючої рельєф поверхні був розроблений та реалізований спеціальний алгоритм, сутність якого полягає в наступному (рис.1):

1. Із загального масиву вихідних даних, який складається з n точок, викидається одна точка.

2. Для отриманого нового масива, який складається з n-1 точок, за рівнянням (2) визначаються коефіцієнти поліномів Чебишева та ступеневих поліномів.

3. Обчислюється помилка у визначенні координати Z для викиненої опорної точки, як різниця між обчислюваною та реальною відмітками.

4. Операції п.п. 2 та 3 повторюються для більш високих ступенів апроксимуючих поліномів.

Рис. 1. Обчислювальна схема визначення оптимального ступеню полінома: хi, yi, zi — координати вузлових точок; z' — віртуальна відмітка, отримана шляхом обчислень; 5 —помилка визначення координати z в точці 5

5. Розрахунки п.п. 1–4 виконуються почергово для всієї решти опорних точок.

6. Обирається оптимальний ступінь поліномів за мінімальною сумарною наведеною помилкою відхилення віртуального рельєфу залягання від реального.

На основі описаної методики була розроблена програма на мові VBA для САПР AutoCAD. З її допомогою були побудовані та візуалізовані рельєфи залягання 7 шахтопластів шахт Донецько-Макіївського району Донбасу. Виконані обчислення показали, що в переважній більшості випадків мінімальну наведену помилку дають моделі, що базуються на ортогональних поліномах Чебишева. Її величина під час оптимізації коливалася від 0,37 до 2,71%, залежно від зміни глибини в межах шахтного поля. Використання моделей з оптимальним ступенем поліномів призводило до значного зростання точності опису рельєфу залягання (табл. 1). У 6 випадках із 7 середня абсолютна помилка відхилення апроксимуючої поверхні за координатою z була меншою від точності її задання в опорних точках. Виняток становив рельєф пласта k8 у полі шахти “Куйбишевська”, що характеризується складністю форми, великим перепадом глибини (H=600 м) та малою кількістю опорних точок (n=87). Виконані обчислення продемонстрували також, що під час опису рельєфу залягання поліномами з оптимальним ступенем кількість опорних точок завдає менш вагомого впливу на точність апроксимації, а величина цього ступеня залежить від параметрів складчастості вугільного пласта, що розробляється.

Табл. 1. Результати математичного моделювання рельєфу залягання шахтопластів шахт Донецько-Макіївського району

№ | Шахта | Індекс пласта | Кількість опорних точок, шт | Перепад глибин H,м | Площа ділянки, км2 | Опти-мальний ступінь полінома | Наведена середня помилка

відносна,

% | абсолютна, м

1 | ім. О.Ф. Засядь

ко | m3 | 210 | 500 | 21,0 | 11 | 0,35 | 1,75

2 | l4 | 233 | 400 | 4,5 | 7 | 0,4 | 1,6

3 | l1 | 113 | 400 | 8,5 | 7 | 0,45 | 1,8

4 | k8 | 103 | 300 | 7,0 | 6 | 0,4 | 1,2

5 | Ім. В.М. Бажано-ва | m3 | 233 | 500 | 17,8 | 7 | 0,4 | 2,0

6“ | Чайкі-но” | m3 | 238 | 200 | 11,5 | 11 | 0,7 | 1,4

7“ | Куйбишев-ська” | k8 | 87 | 600 | 11,6 | 6 | 0,4 | 2,4

Таким чином, на основі виконаних досліджень був розвинутий метод опису складчастості залягання похилих (пологих) вугільних пластів, який базується на використанні ступеневих апроксимуючих поліномів та відрізняється додатковим урахуванням даних експлуатаційної розвідки залягання пластів та використанням нової процедури визначення оптимального ступеня апроксимуючих поліномів.

Третій розділ роботи присвячений обгрунтуванню нового критерія оцінки складності рельєфу залягання вугільних пластів, який відбиває зміни вихідного напружено-деформованого стану гірничого масиву.

Складчастий гірничий масив можна спрощено подати у вигляді сукупності породних шарів (товстих плит), які налягають один на одного, і були деформовані в результаті геологічних процесів і зсувів. Із фундаментальних положень теорії пружності відомо, що горизонтальні напруження 1 й 2, які виникають за умов вигину плити, визначаються параметрами її пружних властивостей Е та і величинами відповідних деформацій вигину Е та :

;, (3)

де h — товщина плити, м.

Деформації та можна визначити у будь-якій точці поверхні пласта шляхом подвійного диференціювання функції z=F(x, y), підставляючи відповідні значення координат x та y. Їх величини чисельно дуже близькі до відповідних головних кривин К1 і К2, які одночасно відбивають форму поверхні пласта (тобто складчастість) та рівень додаткових горизонтальних напружень 1 й 2.

Кривини К1 та К2 являють собою дві компоненти тензору загальної кривини К0 у довільній точці поверхні плити (рельєфу залягання). Її величина визначається наступним виразом:

. (4)

Цю фізичну величину можна використовувати за критерій оцінки рельєфу залягання пластів.

На рис. 2. подані карти змін величини критерію К0 у межах шахтних полів за пластом m3 шахт ім. О.Ф.Засядько та ім. В.М.Бажанова. У першому випадку рельєф залягання характеризується чітко вираженою складчастістю. Напрямок складок є приблизно паралельним щодо флексури 4. Значення коефіцієнта складності К0 змінюється за площею поля від 0 до 0,25 км–1. Максимальна його величина досягає 0,64 км–1 поблизу західного кордону поля. У межах шахтного поля шахти ім. В.М. Бажанова складчастість виражена вельми незначною мірою. Приблизно 85% його загальної площі являють собою практично пласку ділянку (К0=0–0,05 км–1). Ускладнення рельєфу залягання спостерігається лише в межах вузької смуги, що прилягає до кордонів шахтного поля за підняттям та простяганням, які збігаються з великими геологічними порушеннями. Максимальне значення коефіцієнта складності К0 досягає 0,54 км–1. У цілому, карти критерія К0 добре відбивають особливості рельєфу залягання обох шахтопластів.

Для перевірки зв’язку величини критерія К0 з особливостями вихідного наружено-деформованого стану гірничого масиву були проаналізовані результати натурних експериментів, виконаних співробітниками ІГТМ НАН України разом з ІТР шахти ім. О.Ф.Засядько в 10-му західному конвейерному штреку пласта l1 методом локального гідравлічного розриву. У результаті експеримента за 25-ма замірами були отримані наступні значення основних компонент напруженого стану масиву: максимальна горизонтальна компонента 1 змінювалася від 44,5 до 60,0 МПа (середнє значення 50,7 МПа), мінімальна горизонтальна 3 — від 18,0 до 21,0 МПа (середнє — 20,1 МПа) і середня вертикальна компонента 2 становила 28,0 МПа. За напрямком дії напруження було встановлено наступне: 1 практично паралельна лінії падіння пласта (азимут 180–190), 3 спрямована по простяганню, а 2 — приблизно субвертикальна земній поверхні.

Аналітичне обчислення величин горизонтальних компонент напружень виконувалося за формулами (3). З цією метою для умов пласта l1 був дібраний поліном Чебишева 8-го ступеня. Потім були визначені значення кривин рельєфу в зоні проведення експерименту. Вони склали: К1=0 і К2=0,2 км-1. Решту величин, яких бракувало для обчислення, умовно прийняли такими: Е=2,51010 Па, h=9,5 м, =0,30. Розрахунки показали, що 1=15,6 МПа, а 2=52,1 МПа. Отримані значення горизонтальних напружень розглядались як додаткові до геостатичних, розрахованих відповідно до гіпотези Динника (1=2=12,5 МПа). У зв’язку з цим, остаточні результати обчислень: 1=64,6 МПа, 2=28,1 МПа та 3=28,0 МПа.

а)

б)

Рис. 2. Карти зміни критерія складності геологічного рельєфу К0 пласта m3: а — у межах шахтного поля шахти ім. О.Ф.Засядько; б — те саме, для шахти ім. В.М.Бажанова; 1 —кордони полів; 2 —кордони відроблених просторів; 3 — флексура

Порівняння розрахованих та отриманих експериментально значень горизонтальних напружень, які діють у масиві, показує, що вони збігаються з напрямком і є досить близькими за величиною. Так, розходження за компонентою 1 склало 31%, за компонентою 2 — 21,5%, а за різницею 2–1 — всього 9%. Це доводить правомірність прийнятих при обгрунтуванні критерія К0 припущень та імовірність його використання для прогнозних оцінок умов відробки.

На основі розроблених моделей рельєфу залягання пластів та відомих положень геометрії та теорії чисельних методів можна визначати форму об’ємної поверхні пласта, що розроблюється, (опуклу, ввігнуту, сідлоподібну) та інтегральні значення критерія К0 за площею шахтних полів. Для цього в роботі запропоновано відповідні алгоритми.

Виконані у розділі дослідження послужили обгрунтуванням для розробки нового критерія оцінки складності рельєфу залягання пласта, який чисельно дорівнює геометричній сумі головних викривлень у точці гірничого масива, яка розглядається. Його величина в першому наближенні характеризує рівень тектонічних напружень у непорушній вміщуючій товщі.

У четвертому розділі описані результати досліджень впливу рельєфу залягання вугільних пластів на умови їх відробки. Вони проводились у трьох найбільш важливих для практики напрямках: вплив рельєфу на конвергенцію контуру пластових підготовчих виробок, на стан порід покрівлі в очисних вибоях та на інтенсивність газодинамічних проявів під час відробки викидонебезпечних шахтопластів.

Шахтні інструментальні спостереження за змінами вертикальної конвергенції контура виробки залежно від коефіцієнта складності К0 виконувались у 10-му західному конвейерному штреку пласта l1 шахти ім. О.Ф.Засядько. Умови експерименту: глибина розташування виробки змінювалась від 1025 до 1045 м, потужність пласта — від 1,4 до 1,8 м, кут падіння — 10–12, переріз виробки у світлі — 13,8 м2, кріплення — АП-3 з відстанню між рамами 0,5 м, довжина штрека 1100 м, вміщуючі породи були представлені піщаними та глинистими сланцями середньої стійкості. У період виконання замірів виробка підтримувалась у непорушному гірничому масиві поза зоною впливу очисних робіт.

Для досліджень застосовувався відомий метод масових замірів вертикальної конвергенції щодо контуру кріплення. Висота виробки вимірювалася стосовно її центру через 5 рам з часовим інтервалом у 2 тижні. Загальний час спостережень становив 3 місяці. За результатами експерименту був побудований графік зміни вертикальних зсувів контуру штрека по його довжині, поданий на рис.3 (крива ). Для виявлення зв’язку конвергенції з особливостями залягання пласта цей графік був суміщений із кривими, які відбивають зміни глибини (крива ) і критерія К0 (кривая ) вздовж осі штрека.

Сумісний аналіз побудованих графіків показує, що зміна вертикальної конвергенції контура за довжиною виробки істотно залежить від кривини рельєфу залягання пласта та меншою мірою від зміни глибини виробки. Це виявилось у приблизному збігові форми графіків U=f(L) (крива 1) та U=f(К0) (крива 3) та її істотних відмінностях порівняно з графіком U=f(Н) (крива 2). Криві зміни конвергенції та викривлення рельєфу К0 зростають та зменшується на одних і тих самих ділянках і мають екстремуми в одних і тих самих точках штреку. Таким чином, у результаті експерименту було виявлено досить щільний прямий зв’язок між величиною вертикальних зсувів контуру пластових виробок та загальною кривиною рельєфу залягання пласта К0.

Рис. 3. Графіки зміни вертикальної конвергенції (1), глибини (2) та критерію складності залягання К0 (3) за довжиною виробки

Вплив рельєфу залягання на стійкість порід покрівлі в очисних вибоях досліджувався в умовах пластів l1 шахти ім О.Ф.Засядько (23 лави) та m3 шахти ім. В.М.Бажанова (16 лав).

Методика досліджень полягала у тому, що згідно з даними маркшейдерських вимірів будувалася карта змін критерія К0 на відроблених ділянках шахтопластів, на ній за знаками кривин К1 і К2 виділялися зони з опуклою, ввігнутою або сідлоподібною формою рельєфу залягання, а потім для кожної з них розраховувалася відносна площа обвалень порід безпосередньої покрівлі Sотн, що відбулися у вузькому інтервалі (0,05) зміни критерія К0. Це дозволило побудувати графіки залежностей Sоб=f(К0) для ділянок, що мають ту чи іншу форму рельєфу залягання. Вони подані на рис.4.

Аналіз наведених графіків показує, що зі збільшенням викривлення поверхні залягання пласта К0 зростає відносна площа вивалів у зоні, що розглядається. Максимальна швидкість зростання спостерігається на ділянках із сідлоподібною формою рельєфу (крива 3), а мінімальна — зі ввігнутою (крива 2). При цьому, всі графіки являють собою практично прямі лінії. Аналогічні результати отримані для умов пласта m3 шахти ім. В.М.Бажанова.

Рис. 4. Графіки залежності відносної площі вивалів в очисних вибоях від критерія складності геологічного рельєфу для умов пласта l1 шахти ім. О.Ф.Засядько: 1 — опукле залягання; 2 — ввігнуте; 3 — сідлоподібне

Вплив складності рельєфу залягання на інтенсивність виникнення газодинамічних явищ при розробці досліджувався в умовах пласта m3 шахти ім. В.М.Бажанова. Для цього на карту зміни критерія К0 були нанесені точки ГДЯ, які відбулися під час проведення гірничих робіт. Було встановлено, що з 29 газодинамічних явищ, які мали місце при відробці шахтопласта, 25 (86%) відбулися в зонах з аномально високим значенням кривин рельєфу. На опуклих ділянках ГДЯ виникали, коли К00,2. Якщо рельєф залягання був увігнутий, то небезпечне значення критерію К00,3. При цьому особливо викидонебезпечні ділянки межували зі значними геологічними порушеннями, що обмежують шахтне поле. Однак вони розповсюджувались на доволі значну відстань від останніх (до 300 м). Інші 4 “негрупові” ГДЯ знаходилися у сідлоподібних зонах із низькою кривиною. При цьому 3 з них є результатом викриття невідомих раніше дрібноамплітудних порушень.

Таким чином, на основі виконаних досліджень експериментально в натурних умовах підтверджений істотний взємозв’язок викривлень рельєфу залягання пласта з проявами гірничого тиску при веденні гірничих робіт (збільшення зсувів порід контуру виробок, відносної площі вивалів порід у лавах, локальна приуроченість газодинамічних явищ до зон високих значень викривлень залягання пластів).

У п’ятому розділі роботи описаний пакет прикладних програм і подані рекомендації з прогнозування просторового залягання та умов розробки похилих (пологих) вугільних пластів.

На основі запропонованого в дисертації метода прогнозування рельєфу похилих (пологих) вугільних пластів був розроблений спеціалізований пакет прикладних програм. Він складається з таких основних частин: блок підготовки вихідних даних, блок обчислень, блок візуалізації та подання до друку. У пакеті містяться можливості накопичення та обробки вихідних даних, які включають координати близько 1000 опорних точок, добору типу та ступеня (від 3 до 15) поліномів, що використовуються, та виконання будь-яких математичних операцій з отриманими моделями рельєфу залягання. Це дозволяє обробляти, будувати, візуалізовувати та подавати до друку об’ємні поверхні або карти геометричних параметрів рельєфу, отримані методами обчислення (ізогіпс, ізоклін, кривин, радіусів кривин та ін.). Пакетом також передбачена процедура побудови перерізів як за прямими, так і за ламаними лініями, що лежать у площині пласта.

Найважливішим питанням при оцінці достовірності розробленого метода, а значить, і впровадженості створеного на його основі пакета прикладних програм, є визначення розмірів зони можливого прогнозування параметрів рельєфу вугільного пласта з урахуванням складчастості на ділянках, що прилягають до раніше відроблених. Для розв’язання цієї задачі були проведені спеціальні дослідження з зіставленням прогнозних та реально отриманих за маркшейдерськими замірами графіків кривин рельєфу Ко за довжиною вже проведених пластових виробок. Прогноз виконувався для умов шахтопластів m3 та l1 шахти ім. О.Ф.Засядько, які характеризуються інтенсивною складчастістю, та шахтопласта m3 шахти ім. В.М. Бажанова, який її не має. Результати розрахунків показали, що зона достовірного прогнозу (помилка не перевищує 10%) поширюється в умовах плікативно порушених пластів на відстані до 300 м від кордонів очисних робіт, а на пластах із витриманим заляганням – до 1 км. Це є цілком прийнятним для практики за впровадженої на наш час технології проведення гірничих робіт.

Виконані дослідження показали, що вертикальні зсування на контурі пластових виробок за інших однакових умов залежать від кривин рельєфу залягання К0. Цю особливість слід ураховувати під час їх прогнозування.

У загальному випадку вертикальна конвергенція контуру обчислюється за відомою формулою ВНІМІ:

U=Кs , (5)

де Кs — коефіцієнт площі перерізу; Uпр — зсування у проходці; Кпр — коефіцієнт технології проходки; v0 —швидкість зсування в непорушному масиві; t0 —час підтримки; U1 —зсування у зоні опорного тиску; Ккр — коефіцієнт урахування типу покрівлі.

Величини Uпр, v0 та U1 залежать від вихідного напруженого стану масиву, який визначається розрахованою глибиною розробки Нр. Критерієм зміни цього стану на плікативно порушених ділянках є викривлення залягання К0. Значить, вплив складчастості в цих зонах можна врахувати шляхом уведення до формули (5) деякого коефіцієнта Кр, чисельно рівного відношенню приросту зміщення U до зміни кривин К0:

U=КрКs. (6)

Значення Кр можна легко визначати, маючи графік залежності Кр=f(К0), який вибудовується для умов конкретного шахтопласта на основі шахтних замірів у виробках. Для пласта l1 шахти ім. О.Ф.Засядько ця залежність має вигляд прямої, яка апроксимується рівнянням:

Кр=0,1(К0–0,05)+0,9. (7)

Результати виконаних досліджень показали, що кривина рельєфу залягання пласта К0 впливає на відносну площу обвалень порід безпосередньої покрівлі під час виймання вугілля лавами. Цей вплив для умов пласта l1 відбитий графіками залежностей Sотн=f(К0), зображеними на рис. 4. На основі таких залежностей можна прогнозувати площу обвалень порід покрівлі плікативно порушених вугільних пластів в очисних вибоях. Для цього будується карта змін критерія К0 за площею ділянки, яку відробляють, потім за знаками кривини К1 та К2 виділяються опуклі, ввігнуті або сідлоподібні зони і шляхом прямого перерахування по графіках Sвідн=f(К0) будуються ізолінії змін величини Sвідн. Отримана картина відбиває розподіл вивалів, зумовлених змінами рельєфу залягання розроблюваного пласта. Вплив гірничих робіт суміжних пластів та інших технологічних факторів може бути врахований завдяки використанню положень “Керівництво з управління покрівлею…” ДонВуГІ.

Аналогічний принцип покладено в основу рекомендацій з визначення місцерозташування особливо викидонебезпечних ділянок та зон підвищеної вірогідності виникнення ГДЯ на викидонебезпечних пластах. Його сутність полягає у тому, що для умов відроблених ділянок викидонебезпечного шахтопласта будується карта зміни кривини К0 із урахуванням форми залягання. На неї наносяться точки, що відповідають місцям ГДЯ, які відбулися раніше. Потім вибудовується графік залежності інтенсивності ГДЯ від кривини n=f(К0). За перегином графіка визначається критичне значення К0кр, за якого відбувається істотне зростання інтенсивності ГДЯ для зон із різною формою залягання. Ділянка шахтопласта вважається особливо небезпечною за ГДЯ, якщо в межах її площі виконується умова: К0К0кр.

Розроблений пакет прикладних програм з прогнозу рельєфу залягання пласта та методика прогнозу зсувів на контурі пластових виробок використовувалися при розробці прогнозного паспорта відробки 11-ї західної лави пласта l1 та проекту проведення її конвейерного штреку шахти ім. О.Ф.Засядько.

ВИСНОВКИ

У дисертації подане нове розв’язання актуальної науково-технічної задачі визначення плікативного рельєфу залягання похилих (пологих) вугільних пластів, що полягає у розвитку методу апроксимації складчастих поверхонь та в обгрунтуванні використання геометричної сумми кривин як критерію для прогнозування природних аномальних зон напруженого стану вміщуючого масиву, і параметрів стійкості виробок, що дає змогу підвищіти ефективність ведення гірничих робіт.

Основні наукові та практичні результати роботи полягають у наступному:

1. Здійснений розвиток відомого методу опису плікативного рельєфу залягання похилих (пологих) вугільних пластів. Розвиток методу полягає у тому, що враховуються координати залягання пласта, отримані не лише протягом періоду геологічної, а й експлуатаційної розвідки. При цьому обгрунтована нова процедура визначення оптимального ступеня апроксимуючих поліномів як функцій двох змінних, і розроблений пакет прикладних програм, який дозволяє автоматизувати процедури визначення параметрів рельєфу залягання пласта.

2. Уперше обгрунтований критерій оцінки рельєфу залягання пласта (зміни за площею рівня тектонічних напружень у непорушній породній товщі), який являє собою величину геометричної суми головних кривин у точці гірничого масиву, що розглядається.

3. Експериментально в натурних умовах виявлений та підтверджений істотний зв’язок кривин рельєфу залягання пласта та проявів гірничого тиску при веденні гірничих робіт (збільшення зсувів порід контуру виробок, відносної площі обвалень порід у привибійному просторі лав, приуроченість та збільшення кількості газодинамічних проявів у зонах високих значень кривин залягання пластів).

4. Обгрунтована необхідність удосконалення метода прогнозу вертикальних зсувів порід контуру пластових підготовчих виробок, що підтримуються поза зоною впливу очисних робіт. У зонах природної плікативної порушеності пласта, що відробляється, величини зсувів порід контура виробки, які визначаються методом ВНІМІ, слід корегувати шляхом множення їх на величину коефіцієнта, який враховує ступінь складчастості залягання пласта. Значення такого коефіцієнта визначаються експериментально у конкретних умовах розроблюваного пласта.

5. Розроблений метод прогнозування обвалень безпосередньої покрівлі у привибійному просторі лави, який враховує тип та інтенсивність плікативної порушеності пласта на різних ділянках у межах площі відроблюваного поверху або яруса. Сутність його полягає у визначенні на площі очисної виїмки форми та кривини рельєфу залягання пласта, у використанні експериментально встановлених зв’язків (залежностей) площі обвалень порід покрівлі від рівней викривлення на різних ділянках та в екстраполяції цих зв’язків.

6. Розроблені рекомендації регіонального прогнозування в межах запланованих до відробки площ пласта місць, де розташовані наднебезпечні за газодинамічними проявами зони. При цьому укладається карта плікативної порушеності пласта на розглядуваній площі та оконтурюються на ній наднебезпечні зони з урахуванням форми та викривлень залягання пласта.

7. Прикладні результати роботи апробовані під час відробки запасів ярусу 11-ої західної лави пласта l1 в умовах шахти ім. О.Ф. Засядько. У розробленому паспорті проведення конвейерного штреку та у прогнозному паспорті відробки лави використані модернізоване розрахування зсувів порід контуру виробки, методи та рекомендації з прогнозування обваленості порід у лаві та визначення місць розташування наднебезпечних зон.

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

1 Дворников В.И., Пилюгин В.И., Кочин А.Е., Математическая модель пространственного расположения угольного пласта в горном массиве// Изв. Донецкого горного института, 2002. — № . — С. 112–117.

2. Ефремов И.А., Пилюгин В.И., Кочин А.Е., Меляков А.Д. Обоснование оптимальной методики построения виртуального геологического рельефа угольного пласта в пределах шахтного поля// Изв. Донецкого горного института, 2003. — №—С. 79–84.

3. Ефремов И.А., Пилюгин В.И., Василец А.А., Кочин А.Е. Оценка сложности геологического рельефа разрабатываемых угольных пластов// Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: „гірничо-геологічна”. Випуск 63, 2003. — С. 163–172.

4. Пилюгин В.И., Гавриш Н.Н., Кочин А.Е. Влияние складчатости на проявление горного давления при разработке угольных пластов // Сборник трудов национального горного университета, том 5 – Д.: ДНГУ, 2004.- №19, С. 77-80

5. Пилюгин В.И., Дворников В.И., Кочин А.Е., Каменец В.И., Ефремов И.А. Прогнозирование расположения потенциально опасных зон в шахтных полях на основе геометрии залегания угольных пластов в горном массиве// Горный информационно-аналитический бюллетень.–М.: Изд-во МГГУ, 2003. — № 12. — С. 28-30

Особистий внесок автора в роботи, опублікованні у співавторстві: 1 - 2 – розробив процедуру отримання оптимального ступеня апроксимуючого поліному; 3 – запропонував за критерій оцінки складності рельєфу залягання пласта величину геометричної суми головних кривин у точці гірничого масиву, яка розгядається; 4 – 5 – експериментально встановив зв’язок проявів гірського тиску з кривиною рельефу залягання пласта.

АНОТАЦІЯ

Кочін О.Є “Прогнозування геомеханічних умов відробки похилих вугільних пластів на основі рельєфу їх залягання”. Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.11 – “Фізичні процеси гірничого виробництва” – Національний гірничий університет України, Дніпропетровськ, 2005.

У дисертації розвинений метод опису складчастості залягання похилих (пологих) вугільних пластів, що базується на використанні ступеневих апроксимуючих поліномів та відрізняється додатковим урахуванням даних експлуатаційної розвідки залягання пластів та використанням нової процедури визначення оптимального ступеня апроксимуючих поліномів. Уперше обґрунтовано критерій оцінки рельєфу залягання пласта (тектонічних напружень у непорушній вміщуючій товщі), що характеризує величину геометричної суми головних кривин у точці гірничого масиву, яка розглядається. Експериментально в натурних умовах підтверджено істотний взаємозв’язок кривини рельєфу залягання пласта та проявів гірничого тиску при веденні гірничих робіт (збільшенні посувань порід контуру виробок, відносної площі вивалів порід у лавах, локальна приуроченість газодинамічних явищ до зон високих значень кривини залягання пластів).

Ключові слова: напружено-деформований стан, плікативні геологічні порушення, кривина, апроксимація, поліном, вміщуючі породи.

АННОТАЦИЯ

Кочин А.Е "Прогнозирование геомеханических условий отработки пологих угольных пластов на основе рельефа их залегания".

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 – "Физические процессы горного производства" - Национальный горный университет Украины, Днепропетровск, 2005.

Диссертация посвящена исследованию связи